マイクロ波技術 - PCB回路DKと位相整合性に及ぼす材料と処理の影響の解析

PCB回路DKと位相整合性に及ぼす材料と処理の影響の解析

周波数が増加し続けて, 相整合性を制御することはますます困難になる プリント回路基板(PCB) 材料s. の相変化を正確に予測する 回路基板 材料は単純でないか日常的な仕事ではない. The signal phase of a high-frequency and high-speed PCB depends to a large extent on the structure of the transmission line processed from it and the dielectric constant (Dk) of the 回路基板 材料. The lower the Dk of the medium is (for example, 空気のDKは約1です.0), 電磁波伝搬が速くなる. DKが増加するにつれて, 波の伝播は減速するだろう, そして、この現象は伝播信号の位相応答にも影響を及ぼす. 伝播媒体のDKが変化するとき, 波形位相が変化する, 低いかより高いDKが伝播媒体の信号の速度をより速くするか、より遅くするので.

回路基板材料のDKは、通常、異方性であり、長さ、幅、及び厚さの3次元（3 D）における異なるDk値（X、Y、Z軸に対応）である。いくつかの特別な回路設計のためには，dkの違いのみを考慮する必要があるが，回路処理と製造の位相への影響も考慮する必要がある。第5世代（5 G）セルラ無線通信ネットワークインフラ機器、電子支援車両における高度なドライバ支援システム（ADS）のような、マイクロ波およびミリ波周波数において、PCBの動作周波数の増加に伴って、安定性および予測可能性はますます重要になる。

それで、何がDKの原因となりましたか 回路基板 変わる材料? 場合によっては, the difference in Dk on the PCB is caused by the 材料 itself (such as changes in copper surface roughness). 他の場合, the PCB製造 また、プロセスはDK. 加えて, the harsh 作業環境 (such as higher working temperature) will also change the Dk of the PCB. 材料の特性を理解する, 製造工程, working environment, とDKのテスト方法, PCB DKの変化を研究する方法. これは、PCBの相変化をよりよく理解し予測することができる, とその影響を最小限に抑える.

異方性は回路基板材料の重要な特性であり，dkの特性は三次元数学における「テンソル」と非常に類似している。3軸上の異なるdk値は3次元空間における電界と電界強度の差をもたらす。回路で使用される伝送線路の種類によって、結合構造を有する回路の位相を材料の異方性によって変化させることができ、回路の性能は回路基板材料上の位相の方向に依存する。一般的に言えば、回路基板材料の異方性は基板の厚さ及び動作周波数によって変化し、Dk値が低い材料は異方性が低い。充填された補強材料はまた、この変化を引き起こす可能性がある。ガラス繊維強化のない回路基板材料と比較して、ガラス繊維強化を有する回路基板材料は一般に大きな異方性を有する。フェーズがキーインジケータであり、PCBのDKが回路設計モデリングの一部であるとき、2つの材料間のDK値の説明および比較は、同じ軸上のDKのためになければならない。回路基板材料のDKを変化させる様々な要因（測定方法を含む）についての詳細な情報については、例えば、Rogers“Webinar”を参照してください。回路材料および製造方法は、PCB DK変動およびphaceconsistencyにどのように影響を及ぼすかを理解する。

デザインDKの徹底的な議論

回路の有効なdkは，特定の種類の伝送線路で電磁波がどのように伝搬するかに依存する。伝送線路によっては、電磁波の一部がPCBの誘電体材料を伝搬し、他方の部分がPCB周辺の空気を伝搬する。空気のDK値（約1.00）は、任意の回路材料より低い。従って、実効Dk値は、伝送線路導体を伝搬する電磁波と、誘電体材料中を伝搬する電磁波と、電磁波の合成作用によって決定された基板周辺の空気中を伝搬する電磁波とで構成されるDK値を組み合わせたものである。「デザインDK」は「DK」より実用的なDKを提供しようとします、「デザインDK」もDKを測定するために異なる伝送線技術、製造方法、ワイヤーとさらにテスト方法の総合的な影響を考慮するので。設計dkは，材料が回路形式でテストされたときに抽出されるdkであり，回路設計とシミュレーションにおいて最も適したdk値でもある。設計dkは回路の有効dkではないが，有効dkを測定して決定した材料dkである。設計dkは回路の真の性能を反映できる。

PCB誘電体材料の異なる厚さの導体銅箔の表面粗さは、回路の設計DKおよび位相応答に対して異なる効果を有する. より厚い基板を有する材料は銅箔導体の表面粗さの影響を受けにくい. 粗い表面を有する銅箔導体であっても, このときの設計DK値は基板材料の誘電体DKに近い. 例えば, ロジャーズ' 6.6ミル ROC 4350 B兎懸 回路基板 材料は平均3のDK値.8から40 GHzまで96. 厚さ30ミリメートルの同じ材料, デザインDKは、3に下がります.同じ周波数範囲の平均. When the thickness of the material substrate is doubled again (60 mils), デザインDKは3です.66, これは、基本的に、このガラス繊維強化積層体の媒体の固有のDKである.

上記の例からわかるように、厚い誘電体基板は銅箔の粗さの影響を受けず、Dk値は比較的低い。しかし、回路基板を使用して回路を生成し、処理するためには、特に信号波長が小さいミリ波周波数では、信号振幅と位相の整合性を維持することが困難になる。より高い周波数を有する回路は、より薄い回路基板に対してしばしば好適であり、材料の誘電体部分は、このときの設計DKおよび回路性能に対してより影響を与えない。より薄いPCB基板は、信号損失および位相性能に関して導体により影響を受ける。ミリ波周波数では、回路材料の設計DKに関しては、より厚い基板よりも導体特性（銅箔表面粗さなど）に敏感である。

伝送線路回路を選ぶ方法

RF／マイクロ波及びミリ波周波数では，回路設計技術者は主にマイクロストリップ線路，ストリップライン，接地コプレーナ導波路（gcpw）などの従来の伝送線路技術を使用している。各々の技術は、異なる設計方法、設計挑戦および関連した利点を有する。例えば，gcpw回路結合挙動の違いは回路設計dkに影響する。緊密に結合されたGCPW回路と近接した伝送線路の場合、コプレーナ結合領域間の空気を使用することにより、より効率的な電磁波伝搬を達成し、損失を低減することができる。最も低い。より厚い銅導体を使用することによって、結合導体の側壁がより高くなり、結合領域におけるより多くの空気経路の使用は、回路損失を最小にすることができるが、銅導体衝撃の厚さを減少させることによってもたらされる対応する変化を理解することがより重要である。

多くの要因は、与えられた回路および基板材料の設計DKに影響を及ぼす可能性がある. 例えば, the temperature coefficient Dk (TCDk) of the 回路基板 材料は、設計DKおよび性能に対する動作温度の影響を測定するために使用される. より低いTCDK値は 回路基板 材料は温度依存性が小さい. 同様に, high relative humidity (RH) will also increase the design Dk of 回路基板 材料, 特に吸湿性の高い材料について. の特徴 回路基板 material, 回路製造工程, そして、作業環境の不確実な要因は、すべての 回路基板 material. これらの特性を理解し、設計プロセスにおけるこれらの要因を十分に考慮するだけで、その影響を最小限に抑えることができる.