高周波回路基板材料の選択とパッシブ相互変調

高周波回路基板材料の選択とパッシブ相互変調

PCB メーカー、PCB 設計者、および PCBA プロセッサが、高周波 PCB 材料の選択とパッシブ相互変調について説明します。

無線通信やブロードバンドネットワークの発展に伴い、高周波回路基板は単に絶縁基板の上に金属線を敷いて相互接続するだけではなくなりました。 多くの場合、基板や金属導体は機能部品の一部になっています。 特に RF アプリケーションでは、コンポーネントと基板が相互作用するため、高周波回路基板の設計と製造は、製品の機能にますます重要な影響を与えます。 図1に示すように、高周波回路基板/マイクロ波基板の典型的な部分で、導体はすべて部品です。

高周波回路基板

私たち高周波基板メーカーも、高周波・高速信号伝送を中心に、設計に関わっています。 同様に、設計者は、認定された高性能の高周波回路基板を包括的に製造するために、高周波回路基板の製造プロセスを深く理解する必要があります。

今号からは、よく触れるパラメータをいくつか紹介し、簡単なものから深いものまで技術的な議論を行い、設計と製造の間のコミュニケーションと交流を深めることを願っています。

1. 誘電率

誘電率 (Dk、ε、Er) は、媒体中の電気信号の伝搬速度を決定します。 電気信号の伝搬速度は、誘電率の平方根に反比例します。 誘電率が低いほど、信号伝送は速くなります。 海辺を走っているときと同じように、水深が足首を沈めます。 水の粘度は誘電率です。 水の粘性が高いほど、誘電率が高くなり、走る速度が遅くなります。

高周波 RF 回路基板の誘電率は、測定または定義が容易ではありません。 媒体自体の特性だけでなく、試験方法、試験頻度、試験前と試験中の材料状態にも関係します。 誘電率も温度の変化とともに変化し、一部の特殊な材料は開発時に温度を考慮します。 湿度も誘電率に影響を与える重要な要素です。水の誘電率は 70 であり、水がほとんどなくても大きな変化が生じるためです。

以下は、いくつかの典型的な材料の誘電率です (1Mhz で):

高速・高周波用途において、最も理想的な材料は銅箔で包まれた空気媒体であることがわかります。厚さの公差は±0.00001 "です。材料開発として、誰もがこの方向に努力しています. たとえば、Arlon が特許を取得したフォームクラッドは、基地局アンテナのアプリケーションに非常に適しています. しかし、すべての高周波 RF ラインがより小さな誘電率で設計されているわけではなく、これは多くの場合、いくつかの実際の設計に基づいています. ボリュームはしばしば高誘電率の材料を必要とします. 例えば, Arlon AR1000 は小型ライン設計で使用されます. 一部の設計は次のとおりです: パワーアンプ, 一般的に使用される誘電率 2.55 (Arlon DIClad 527, AD255 など), または誘電体. 誘電率3.5（AD350、25N/FRなど）、誘電率4.5（AD450など）を採用するものもあり、主にFR-4の設計から高周波用途向けに変更されており、継続を希望している 以前のデザインをぬえます。

誘電率は、信号の伝送速度に直接影響するだけでなく、特性インピーダンスにも大きく影響します。 さまざまな部分で、マイクロ波通信では特性インピーダンスの整合が特に重要です。 インピーダンスの不整合が生じる場合、インピーダンスの不整合は VSWR (定在波比) とも呼ばれます。

CTEr: 誘電率は温度によって変化し、高周波回路基板のマイクロ波アプリケーションに使用される材料は、宇宙環境であっても屋外にあることが多いため、CTEr (Er の熱係数) も重要なパラメーターです。 一部のセラミック粉末充填 PTFE PTFE は、CLTE などの非常に優れた特性を持つ場合があります。

2. 損失、損失正接、Df、散逸率

誘電率に加えて、損失係数は材料の電気特性に影響を与える重要なパラメータです。 誘電損失は、損失正接、損失係数などとしても知られています。これは、媒体内の信号の損失、またはエネルギー損失を指します。 これは、高周波信号 (正相と負相の間で常に変化している) が誘電体層を通過するときに、媒体内の分子がこれらの電磁信号に従って配向しようとするためですが、実際には、これらの分子は架橋されているためです。 彼らは本当に向きを変えることができません。 しかし、周波数の変化により分子は動き続け、多くの熱を発生させ、エネルギー損失を引き起こします。 ただし、PTFE ポリテトラフルオロエチレンなどの一部の材料は無極性であるため、電磁界の影響を受けないため、損失は小さくなります。 同様に、損失係数も周波数とテスト方法に関連しています。 一般に、周波数が高いほど損失が大きくなります。

最も直感的な例は、送信時の電気エネルギーの消費です。 回路設計損失が小さい場合。 バッテリーの寿命を大幅に延ばすことができます。 信号を受信すると、アンテナは信号に対してより敏感になり、信号は損失の多い素材を使用することでより明確になります。

一般的に使用される FR4 エポキシ樹脂 (Dk4.5) は、比較的強い極性を持っています。 1GHz では、損失は約 0.025 ですが、PTFE PTFE 基材 (Dk2.17) の損失は 0.0009 です。 ガラス充填ポリイミドと比較して、石英充填ポリイミドは誘電率が低いだけでなく、シリコン含有量が純粋であるため、低損失です。

次の図は、PTFE ポリテトラフルオロエチレンの分子構造を示しています。 その構造は非常に対称的で、C-F 結合はしっかりと結合しており、極性基はありません。 したがって、電磁場の変化に伴う揺れの可能性は非常に小さく、それは小さな損失の電気的特性に示されています。

3. 熱伝導率

多くのマイクロ波分野では、多くの高出力アプリケーションがあります。 材料の放熱特性は、システム全体の信頼性に大きく影響します。 したがって、熱伝導率も考慮する必要があります。 一部の特別な高信頼性および高消費電力アプリケーションでは、金属ライニング (アルミニウム ベースまたは銅ベース) も使用できます。

4. 製造可能性

PTFE ポリテトラフルオロエチレンは、特にホール メタライゼーションの処理が困難であり、その活性を向上させるためにプラズマまたはナトリウム ナフタレン処理が必要であることを理解しています。 さらに、PTFE ポリテトラフルオロエチレンは熱可塑性材料であり、多層ボードの加工温度は高くなります。 現在、アーロン 25N/FR など、プラズマ活性化なしで多層回路基板を処理できる高周波回路用の新しい低損失熱硬化性樹脂材料が開発されています。 現在、LNA、PA、およびアンテナ設計で広く使用されています。 吸湿性も考慮されています。 電気的特性をより安定させるために、できるだけ吸湿の少ない材料を選択する必要があります。

5. 熱膨張係数 (CTE)

高周波回路基板の熱膨張係数は、通常、材料の重要な熱機械特性の 1 つである CTE (CoefficientThermal Efficient) と略されます。 材料を加熱すると膨張することを指します。 実際の材料膨張とは体積変化を指しますが、基板の特性上、平面（X-、Y-）、垂直方向（Z-）それぞれの膨張を考えることが多いです。

平面の熱膨張は多くの場合、層の材料 (ガラスクロス、石英、サーモマウントなど) を強化することで制御できますが、ガラス転移温度を超えると縦方向の膨張を制御することは常に困難です。

平面 CTE は、高密度パッケージをインストールするために非常に重要です。 チップ (通常、CTE は 6 ～ 10ppm/C) が従来の PCB 高周波基板 (CTE 18ppm/C) に取り付けられている場合、複数回の熱サイクルの後、応力下ではんだ接合部が過度に老化する可能性があります。 Z 軸の CTE は、特に多層プレートの場合、メッキ穴の信頼性に直接影響します。

一般に、ＰＴＦＥポリテトラフルオロエチレンのＣＴＥは比較的大きい。 多層基板の製造に純粋な PTFE ポリテトラフルオロエチレンを使用することはまれです。 セラミック粉末を充填したPTFEポリテトラフルオロエチレンがよく使用されます。

地球規模の通信衛星で使用されています。

6. パッシブ相互変調 (PIM)

アンテナやフィルターなど、RF における HF 回路基板のフロントエンド設計には、HF 回路基板の基材にも関連するパッシブ相互変調が必要です。 一部の企業は、パッシブ相互変調を特定の範囲に保つために特定の銅箔を使用しています。 次の表は、パッシブ相互変調要件のない高周波回路基板ボードと、特定の要件を持つ高周波回路基板ボード PIM の違いを示しています。

パッシブ相互変調の原因

受動的相互変調は、主に受動的非線形性によって生成されます。受動的非線形性には通常 2 つのタイプがあります。1 つは金属接触によって引き起こされる非線形性であり、もう 1 つは材料自体に固有の非線形性です。 たとえば、同軸ケーブルとコネクタは一般に線形と見なされますが、高出力の場合は非線形効果が現れます。 ケーブル編組、コネクタのスレッド、およびその他の金属接合部の接触には、わずかな非線形性が存在します。 これらの金属接点の各表面には、金属酸化によって形成された薄い絶縁層があります。 低レベルの受動的相互変調干渉を生成するのはこの接触非線形性であり、受信機の性能を著しく低下させる可能性があります。

金属接触の非線形性の主な原因は、接合部の緩みと腐食です。 そのボルトアンペア特性は曲線です。 具体的な主なメカニズムは次のとおりです。

（1） 不十分な設置技術による非線形性;

（2） 金属接触における大電流に関連する非線形性。

（3） 金属表面の汚れ、金属粒子、および炭化に関連する非線形性。

（4）金属構造のサンド ホールとマイクロ スリットによる 2 次電子増倍効果。

（5） 金属接触部の薄い酸化物層 (厚さ 50Ao 未満) を介した電子トンネル効果と半導体挙動。

（6） 強い電流による金属接触面の相対運動の熱サイクル。

線形と非線形の間に厳密な制限はありません。 通常、金属接触は線形と見なされますが、高出力では非線形効果を示します。

非線形効果を完全に排除することはできず、可能な限り減らすことしかできません。 主な削減策は次のとおりです。

（1) 熱サイクルを最小限に抑え、金属材料の膨張・圧縮による非線形接触を低減します。

（2）0金属接点の数を最小限に抑えます。 たとえば、チョーク接続またはその他の誘電体接続を使用して十分な電流チャネルを提供し、すべての機械的接続をクリーンでタイトに保ちます。

 (3) 電流チャネルに同調ねじまたは金属または金属接触可動部品を使用しないようにしてください。 必要に応じて、電流密度の低い場所に配置する必要があります。

(4) 材料の接続プロセスを改善します。 接続が信頼できるものであり、ギャップ、汚染、または腐食が可能な限りないことを確認してください。

(5) 導電チャネル上の電流密度は低く保たれなければならない。 たとえば、接触面積は大きく、導体ブロックは大きくする必要があります。

パッシブ相互変調問題の複雑さにより、大電力回路モデルを確立することは困難であるため、非線形回路の一部の解析方法は使用できません。 ただし、金属接触の非線形性については、図 4 に示すような単純なシステムで表すことができます。ここで、X と Y はそれぞれ入力信号と出力信号 (電流または電圧) を表します。 金属接触全体の非線形性の生成プロセスは、単一の伝達関数によってシミュレートされ、分析には入出力法が使用されます。特定の解法には、主にべき級数法とボルテラ級数法が含まれます。 ベキ級数法は、使用が簡単で、計算速度が速く、実装が容易であるという利点があるため、この論文ではこの方法を採用しています。

概要

高周波回路基板のマイクロ波材料の選択は、主に誘電率、損失、熱膨張係数、および熱伝導率に依存します。

低コスト、低損失、熱硬化性、高誘電率セラミック充填 PTFE ポリテトラフルオロエチレン、低誘電率、低損失、PTFE ポリテトラフルオロエチレン、CTEr 安定化セラミック充填 PTFE、低コスト、商用 PTFE ポリテトラフルオロエチレン。 PCB メーカー、PCB 設計者、および PCBA プロセッサが、高周波 PCB 材料の選択とパッシブ相互変調について説明します。