PCB技術 - PCBプロセスが回路性能に与える影響

高周波PCB設計では、その性能が回路加工プロセスの正常な公差変化に影響されるため、最も詳細で徹底した計画であっても誤りであることがあります。電磁（EM）シミュレーションに基づく現代コンピュータ支援（CAE）ソフトウェア設計ツールは、異なるモデルにおける回路性能をシミュレーションし予測することができるが、最も優れたシミュレーションソフトウェアであっても、従来の回路処理プロセスの変化を予測することはできない。影響。特に銅めっき厚さのばらつきとそれによる導体形状の変化、それによるエッジ結合回路性能の変化がある。

通常、PCBめっき銅の厚さは一定の変化がある。しかし、製造プロセスやその他の理由により、同一材料上のめっき銅の厚さと異なる材料間のめっき銅の厚さには多かれ少なかれ誤差がある。電気めっき銅の厚さのこれらの変化は、複数の異なるPCB基板上の同一回路の整合性に影響を与えるように、回路材料上の小面積内の単一回路の性能に影響を与えるのに十分である。

めっきスルーホール（PTH）は、通常、誘電体材料の厚さ方向（z軸）におけるPCBパネルの一方側と他方側との間の導電接続、または多層基板回路における導体層の間の接続を実現する。貫通孔の側壁には銅がめっきされており、その導電性を向上させている。

しかし、PTH銅めっきプロセスは伝統的でも簡単でもなく、異なるプロセスは銅めっき層の厚さの違いを引き起こす可能性がある。PTHスルーホール銅めっきの方法は通常、電解銅めっき、すなわちPCB材料の銅箔にめっき銅を加え、スルーホールの電気的接続を実現する。これにより、積層板銅箔の厚みが実際に増加し、材料板全体に銅箔の厚みの変化が導入される。単板における銅箔の厚みの変化は、同じ板における銅箔の厚みの違いをもたらす。同様に、異なる回路基板間の銅箔厚さの不均一性も、同じ回路のロット間の再現性を低下させる。

周波数が高いと信号の波長が小さくなるので、銅めっき厚さの変化がミリ波回路に与える影響は低周波回路よりも大きい。しかし、すべてのタイプの送電線が同じ影響を受けているわけではありません。例えば、RF／マイクロ波マイクロストリップ伝送路の振幅及び位相特性はPCB銅めっき厚さにわずかな影響しか受けない。しかし、銅めっき層の厚さの過度な変化により、接地共平面導波路（GCPW）伝送路とエッジ結合特性を有するマイクロストリップ伝送路回路を含む回路は、その無線周波数性能の顕著な変化をもたらす。個々の変化を考慮しない限り、最良の電磁シミュレーションソフトウェアツールを使用しても、PCB銅めっき厚さがRF性能に与える影響（例えば、挿入損失やエコー損失）を正確に予測することはできない。

エッジ結合回路は、結合導体間の非常に狭い間隙を介して異なる程度の結合を実現する。ギャップのミクロ寸法により、結合側壁間のギャップ幅は銅めっき厚さによって変化する。松結合回路（大きなギャップ）は銅めっき厚さの変化の影響を受けにくい。結合線間の間隙が狭くなるにつれて、結合の程度が増加し、銅めっき厚さの変化に対する寸法公差の影響が増加する。厚い銅層を有するエッジ結合回路では、回路伝送路の側壁も高くなる。側壁高さの違いは結合係数の違いにもつながり、銅めっき厚さの異なる回路で得られる有効誘電率（Dk）も異なる。

ラダー効果

銅めっき厚さの変化は高周波回路導体の物理的形態にも影響する。モデリングの目的で、導体は矩形であると仮定することが多い。断面から見ると、導体の幅は導体の長さに沿って一致している。しかし、これは理想的なケースです。実際の導体は通常、導体の底部、すなわち導体と回路誘電体基板との接合部における最大サイズの台形形状を有する。銅の厚い回路では、台形形状がより深刻になっています。導体サイズの変化は導体を通過する電流密度の変化をもたらし、これは高周波回路性能の変化をもたらす。

この変化が回路性能に与える影響は、異なる回路設計と伝送路技術によって異なる。標準的なマイクロストリップ伝送路回路の電気的性質は導体の台形効果によってほとんど変化しないが、エッジ結合特性を持つ回路は台形導体によって重大な影響を与えることがあり、特に厚い銅層において。この効果はさらに明らかになった。

緊密結合特性を有するエッジ結合回路について、理想的な矩形導体に基づくコンピュータモデリングは、結合導体の側壁により高い電流密度があることを示している。しかし、導体モデルを台形導体に変更すると、導体の底部により大きな電流密度が現れ、導体の厚さが増すにつれて電流密度が増加することが示されます。

電流密度の変化に伴い、台形導体の電界強度もそれに応じて変化する。矩形エッジ結合導体では、結合側壁に沿った電流密度が高く、導体の周囲の電界の大部分は導体間の空気中にある。台形形状のエッジ結合導体については、側壁上の電流密度が低く、結合導体間の空気占有電界が小さい。空気のDkは1です。空気中に矩形導体を有し、導体間により多くの電界を有するエッジ結合回路は、より多くの周囲導体及び誘電体材料を有する台形導体を有する回路よりも効率的なDkを低下させる。電界

標準的なPCB製造プロセスのため、PCB上の銅めっき厚さは単一の回路基板内で変化する可能性があり、これらの銅厚さの変化する回路性能も回路トポロジーと周波数に応じて変化する。ミリ波周波数では回路のサイズ/波長が小さく、厚さ変化の影響が大きい。そのため、回路シミュレーションソフトウェアを用いて所与の回路材料の性能をシミュレーションする場合、Dk性能を厳格に制御するだけでなく、これらの処理技術がもたらす変化と影響を事前に分析し、考慮する必要がある。