高周波板の表皮効果と中厚と構造の説明

高周波板と誘電体の厚さと高周波構造の表皮効果

回路基板製造、回路基板設計、および PCBA 処理メーカーは、高周波基板の表皮効果、誘電体の厚さ、および高周波構造について説明します。

回路の導体損失は、周波数の増加とともに増加します。 低周波数では、導体上の電流は導体内でほぼ均一に分布します。 しかし、高周波では、交流電流または交流電磁場が導体に現れます。 このとき、導体内部の電流分布が変化し、電流は主に導体表面の薄層に集中します。 図に示すように、導体表面に近づくほど電流密度が高くなりますが、導体内部の電流は非常に小さいか、電流が流れていないことさえあります。 その結果、導体の抵抗が増加し、導体損失も増加します。 この現象は表皮効果と呼ばれます。

一般に、PCB基板処理のプロセスでは、銅箔をさまざまな誘電体材料にしっかりと接着させるために、銅箔の表面を粗くしてPCB誘電体材料との接着を改善します。 ほとんどの PCB 基板は、標準電解銅、逆処理銅、圧延銅など、いくつかの形態の銅箔導体でラミネート加工されます。 簡単に言えば、標準の ED 銅は、硫酸銅溶液中の銅イオンを研磨されたステンレス鋼のゆっくりと回転するドラム上に電気分解することによって形成されます。 磨かれたステンレスドラムに直接接触する銅の表面粗さは滑らかですが、溶液に直接接触する銅の表面粗さははるかに粗いです。 カレンダー加工された銅箔は、銅ブロックをローラーミルで圧延することによって得られます。 ローラーによる連続圧延により、厚みの均一性が良く、表面が平滑な銅箔が得られます。 RT銅箔も電解銅に属し、銅箔の滑らかな表面を基板で押し付けることによって形成されます。

銅箔によって表面粗さが異なり、銅箔の表面粗さを特徴付ける多くの測定方法と測定単位があります。 RF マイクロ波アプリケーションの場合、Rq または RMS (二乗平均平方根) 値は、より合理的な粗さ特性評価方法です。 異なる銅箔の表面は、まったく異なる粒子と粗さの特性を示します。 図 a と b は、2 つの典型的な銅箔標準 ED 銅とカレンダー加工された銅の媒体との界面の表面特性を示しています。 C いくつかの一般的な銅箔の典型的な表面粗さの値を挙げてください。 標準的な電解銅箔の表面粗さは比較的高く、典型的なRMS値は2.2umです。 しかし、圧延銅箔の表面粗さは非常に小さく、典型的な RMS 値はわずか 0.3um です。

銅箔の表面粗さが異なると、寄生インダクタンスが異なり、銅箔の表面インピーダンスが変化し、導体損失が異なります。 一般に、回路の動作周波数に対応する表皮深さが銅箔の表面粗さ以下の場合、表面粗さの影響が非常に大きくなります。 図に示すように、挿入損失をテストするために、5mil ロジャース RO3003TM の同じ回路材料上にマイクロストリップ ラインが設計されています。 周波数が 1GHz 未満の場合、表皮深さは 2.09um であり、標準的な電解銅の粗さ 1.6um およびカレンダー加工された銅の粗さ 0.3um よりも大きくなっています。 2 つの銅箔回路間の挿入損失の違いは明らかではありません。 徐々に周波数を上げていくと、通常の電解銅と圧延銅の挿入損失に大きな差が現れます。 したがって、粗さの小さい銅箔を選択することは、特にマイクロ波およびミリ波帯での挿入損失の低減に役立ちます。

2. 高周波板の誘電体厚み

回路材料の誘電体の厚さも、回路の導体損失に影響します。 図のデータ曲線は、Rogers が Hammerstad モデルと Jenson モデルに基づいて開発した MWI アプリケーション ソフトウェアによってシミュレートされています。 ソフトウェアは、マイクロストリップ伝送線路のインピーダンスと挿入損失を正確に計算でき、シミュレーション結果は測定値とよく一致しています。

6.6mil、10mil、および 30mil の異なる厚さを持つ Rogers に基づく RO4835TM 熱硬化性材料の 50 Ω マイクロストリップ ラインは、6.6mil で最大の導体損失、30mil で最小の導体損失を持つことが図から明確にわかります。 その結果、同じ周波数の回路の総挿入損失は、誘電体の厚さが増加するにつれて減少します。

一方では、厚さの違いによる導体損失のこの変化は、厚さが異なる同じ 50 Ω マイクロストリップ ラインの線幅の違いによるものです。 一方、銅箔の粗さは、厚さが異なる同じ材料の導体損失に異なる影響を与えます。

さまざまな厚さの挿入損失に対する銅箔の粗さの影響をさらに検証するために、Rogers RO3003TM 回路材料を選択して、研究およびテスト用の 50 Ω マイクロストリップ ラインを設計しました。 同じ回路が、標準の ED 銅と、5 ミルおよび 20 ミルの RO3003TM 材料のカレンダー加工された銅で作成されます。 25GHz では、標準の ED 銅線と 5 ミルの厚さに基づくカレンダー加工された銅線回路の挿入損失の差は 0.35dB/インチであることがわかります。 厚さ 20mil に基づく標準 ED 銅とカレンダー加工された銅の挿入損失の差は、わずか 0.1dB/インチです。 同じ材料の厚さの 50 Ω マイクロストリップ ラインは導体幅が同じであるため、ライン幅によって生じる導体損失は同じです。 したがって、同じ材料では、薄い誘電体材料に対する銅箔の粗さの挿入損失の影響は、厚い材料に対する影響よりも大きくなります。 この例では、0.25dB/inch が増加します。

したがって、より厚い回路材料を選択すると、同じ銅箔粗さの下で挿入損失への影響を減らすことができます。 ただし、素材が厚いほど、線幅は広くなります。 マイクロ波やミリ波回路のアプリケーションでは、線幅が広いほど不要な浮遊信号が発生しやすくなり、信号伝送に影響を与えます。 そのため、素材の厚みと銅箔の粗さのバランスを取る必要があります。

3. 高周波回路の設計構造

RF 回路エンジニアは、信号を送信するために、マイクロストリップ ライン、ストリップライン、接地型コプレーナ導波路 (GCPW) などの PCB 回路技術を選択する必要があることがよくあります。 回路伝送技術が異なれば、最終的な挿入損失にも違いがあります。 マイクロストリップラインは最も単純な伝送技術ですが、高周波ミリ波帯では、放射損失によりマイクロストリップラインの挿入損失が大幅に増加します。 ストリップラインは、マイクロ波およびミリ波帯で使用される PCB 伝送ラインに最適ですが、回路処理プロセスは少し複雑です。 GCPW 伝送線路技術は、両側に中間導体とグランドを備えた回路構造です。 この構造によりマイクロストリップラインよりミリ波帯での放射損失が少なく、リボンラインより回路処理が簡単です。

この図は、20mil Rogers RO4835TM 材料に基づくマイクロストリップ ラインと GCPW 密結合回路の両方がむき出しの銅である場合の挿入損失シミュレーションの結果を示しています。 周波数が低い場合、マイクロストリップ ラインと GCPW の放射損失は非常に小さくなりますが、GCPW 密結合回路は導体線幅が狭いために導体損失が高くなるため、マイクロストリップ ラインは GCPW よりも挿入損失が低くなります。 周波数が高くなると、マイクロストリップ ラインの放射損失が大幅に増加しますが、GCPW の放射損失は依然として低く、GCPW の総挿入損失は低くなります。

選択した回路材料では、GCPW 伝送線路の挿入損失は銅の厚さによって異なります。これは、GCPW 構造内の電磁界分布によるものです。 GCPW 回路構造では、電場は上部の中心導体から下部のグランドに向けられるだけでなく、中心導体の側壁から上部のグランドに向けられてリターン パスを形成します。 銅箔が厚いほど、側壁に向かう電界経路は、より多くの空気を通って両側のグランドに到達します。 媒体と比較して、空気損失は非常に低いため、同じ回路の下で厚い銅の GCPW 回路の総損失は薄い銅の損失よりも小さくなります。 同様に、GCPW の接地間隔 s も回路の挿入損失値に影響します。 接地間隔が狭いと空気を多く使用しますが、このとき導体幅が狭くなるため導体損失が大きくなり、同一回路での全損失が大きくなります。

GCPW回路の導体表面に表面処理を施すと、マイクロストリップラインとは挿入損失の変化が異なります。 ENIG 表面処理を例にとると、前のセクションで説明したように、マイクロストリップ ラインの挿入損失は、ENIG 表面処理によって増加します。 8mil RO4003C 標準 ED 銅材料に基づくと、50GHz で ENIG を使用した 50 Ω マイクロストリップ ラインの挿入損失は、むき出しの銅よりも約 0.7dB 高くなります。 同じ回路材料に基づいて設計された 50 Ω GCPW 回路の場合、図に示すように、50 GHz での ENIG 回路の挿入損失は裸の銅のそれよりも 1.1 dB 高くなります。 ENIG を使用した GCPW 回路は挿入損失が高くなります。これは、マイクロストリップ ラインのような導体表面のニッケル層によって引き起こされる導体損失の増加だけではありません。 同時に、中心導体から上部グランド プレーンへの電界リターン パスがグランド プレーン表面のニッケル層を通過するため、さらに挿入損失の増加につながります。

つまり、高周波 PCB の挿入損失は、多くの要因の影響を受けます。

1. 誘電損失が低く、銅箔の表面粗さが小さい回路材料を選択することで、回路全体の挿入損失を低減できます。

2. 同じ銅箔表面粗さの条件では、より厚い回路材料を選択することで挿入損失への影響を低減することができます。

3. ミリ波帯に回路を適用する場合、媒質の厚みによる線幅の拡大による浮遊損失と放射損失の影響をバランスさせる必要があります。

4.同時に、回路設計と処理では、回路構造と回路表面処理方法が異なると、回路の総挿入損失に影響します。 回路の総挿入損失の影響要因を考慮して、適切な回路材料、設計、および処理を選択することで、回路の挿入損失を最小限に抑えることができます。 最適な PCB 設計スキームを実現するために、すべての側面を総合的に検討してください。 回路基板メーカー、回路基板設計者、および PCBA プロセッサが、高周波基板の表皮効果、媒体の厚さ、および高周波構造について説明します。