マイクロ波技術 - RF PCB材料の選択方法

無線通信とブロードバンドネットワークの発展に伴い, PCBは、回路の相互接続を実現するためにいくつかの絶縁基板上に金属線を簡単に敷設することではない. 多くの場合, RF PCB基板 金属導体は機能部品の一部になっている. 特に無線周波数用途では, モジュールとPCB基板の相互作用, そのため、PCB設計とPCB製造が製品機能に与える影響はますます大きくなっている. 下図のように, 典型的 マイクロ波RF PCB すべてコンポーネント.

私たちの RF PCBメーカー 無線周波数設計に関することにも多く関与しています, 特に高周波及び高速信号伝送において. 同様に, 合格した高性能PCBを全面的に生産するためには、PCB設計者はPCB製造プロセスについて深く理解しなければならない.

1.誘電率（DK）

誘電率（Dk，μïEr）は誘電体中を電気信号が伝播する速度を決定する。電気信号伝播の速度は誘電率の平方根に反比例する。誘電率が低いほど、信号伝送が速くなります。ビーチを走っているような視覚的な類比をしてみましょう。水深があなたの足首を水浸しにしました。水の粘度は誘電率である。水が粘稠であればあるほど、誘電率が高くなり、運転速度が遅くなります。

誘電率は測定や定義が容易ではない。媒体自体の特性だけでなく、試験方法、試験頻度、試験前後の材料の状態にも関係しています。誘電率は温度によっても変化します。温度を考慮して、水の誘電率が70であるため、いくつかの特殊な材料の湿度も誘電率に影響する重要な要素として開発されている。

次に、典型的な材料のいくつかの誘電率（1 Mhz）を示します。

真空1.0

純PTFE 2.1

石膏2ï2ï2.3

GX-PTFE 2.55型

シアン酸エステル/ガラス3.2

シアン酸エステル/石英2.8-3.4

ポリイミド石英3.5-3.8

ポリイミドガラス4.0-4.6

エポキシ樹脂ガラス（FR 4）4.4-5.2

不織芳香族アミン（芳香族ポリアミド）3.8-4.1

芳香族アミン（織布）3.8-4.1

セラミック充填PTFE 6.0-10.2

フォームコーティング（Arlon特許）1.15-1.3

水70.0

高速および高周波用途には、銅箔を包む空気媒体が理想的であり、

信号の伝送速度に直接影響するほか、誘電率も特性インピーダンスを大きく決定している。異なる部分では、特性インピーダンスマッチングはマイクロ波通信において特に重要である。インピーダンス不整合が発生する場合、インピーダンス不整合はVSWR（定在波比）とも呼ばれる

CTEr：温度によって誘電率が変化するため、マイクロ波に使用される材料は通常屋外にあり、空間環境においてもCTEr（誘電率と温度の変化係数）は重要なパラメータである。セラミック粉末を充填したPTFEのいくつかは、CLTEなどの非常に良好な特性を有することができる

2.損失係数（Df）

誘電率のほか、損失係数も材料の電気的性質に影響を与える重要なパラメータである。誘電損失は損失正接、損失係数などとも呼ばれる。誘電体中の信号の損失またはエネルギー損失を指す。これは、誘電体層を高周波信号（正相と負相の間で絶えず変換される）が通過する際、媒体中の分子は、これらの電磁信号に基づいて配向しようとする。実際には、これらの分子は架橋されているため、真の配向はできません。しかし、周波数の変化により、採点者は絶えず移動し、大量の熱を発生し、エネルギー損失を引き起こすことがあります。

しかし、PTFEなどの材料は非極性であるため、電磁場の影響を受けず、損失が少ない。同様に、損失係数も周波数と試験方法と関係がある。一般的な法則は周波数が高いほど損失が大きくなります。最も直観的な例は伝送中の電力消費です。回路設計損失が小さい場合、電池寿命は著しく増加することができる、信号を受信すると、アンテナは材料損失により敏感になり、信号はより鮮明になります。

一般的に使用されるFR 4エポキシ樹脂（Dk 4.5）は比較的強い極性を有する。1 GHzでは損失は約0.025であるが、PTFE基板（Dk 2.17）のこの条件下での損失は0.0009である。石英充填ポリイミドは、ガラス充填ポリイミドに比べて、シリコン含有量が純粋であるため、低い誘電率と損失を有する。

次の図はPTFEの分子構造を示している。構造が非常に対称であり、C−F結合が密接に結合しており、極性基はないことがわかる。そのため、電磁場の変化に伴って揺れる可能性は小さく、これは損失の少ない電気特性に表れている。

3.熱膨張係数（CTE）

熱膨張係数は一般的にCTEと略称され、材料の重要な熱機械的性能の1つである。材料が熱を受けたときの膨張を意味します。実際の材料膨張とは体積変化を意味するが、基板の特性上、平面（X−、Y−）と垂直方向（Z−）の膨張をそれぞれ考慮するのが一般的である。平面の熱膨張は通常、ガラスクロス、石英、Thermomontなどの補強層材料によって制御することができる。縦膨張は常にガラス転移温度より高く、これを制御するのは難しい。平面CTEは高密度パッケージを実装するために重要である。チップ（通常6〜10 ppm／CのCTE）が従来のPCB（CTE 18 ppm／C）に搭載されている場合、PTFEは通常、Arlon社のCLTEやLCCLTEなどのセラミック粉末を充填し、世界の通信衛星64層多層板を製造する最も代表的な用途である

4.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、材料の放熱特性はシステム全体の信頼性に大きく影響することができる。そのため、熱伝導率も考慮すべきである。特定の高信頼性および高消費電力用途には、金属ライニング（アルミニウムまたは銅基）を使用することもできる。材料の種類の例：熱伝導性W/mkPTFE/ガラスクロスDiclad、Cuclad 0.26 PTFE/セラミックス粉末、ガラスクロスCLTE 0.5 AR 100000.65 AD 350 i 0.45セラミックス粉末充填熱硬化性材料25 N/FR 0.45熱伝導材料99 N 1.2 FR-4024-0.26

5.製造可能性

PTFE材料の加工が困難であり、特に細孔の金属化が困難であることを知っており、これにはプラズマまたはナトリウムナフタレン処理がその活性を高めるために必要である。また、PTFEは熱可塑性材料であり、多層板の加工には高温が必要である。現在、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おり、プラズマ活性化なしでArlon 25 N/FRなどの多層板を処理することができる。現在、LNAに広く応用されており、PAやアンテナの設計においても吸湿性は考慮すべき要素である。電気的特性がより安定するように、吸湿性の小さい材料をできるだけ選択すべきである

6.受動相互変調（PIM）

無線周波数フロントエンド設計では、アンテナやフィルタなど、受動的な相互変調が必要である。これはPCB基板にも関係している。一部の企業では、特定の銅箔を使用してパッシブ相互調整を一定の範囲内に維持している。次の表に、パッシブ相互調整要件のないボードのパッシブ相互調整と特定の要件のあるボードパッシブ相互調整の違いを示します。

マイクロ波無線周波数PCB材料 主に誘電率による選択, なくなる, 熱膨張係数と熱伝導率低コスト低誘電率セラミックス, 低誘電率CTEr, 安定した低コスト商業損失熱硬化性充填PTFE数, 低損失セラミック充填PTFE.