PCB技術 - ミリ波周波数におけるPCB回路基板材料のガラス繊維効果の解析​

ミリ波周波数におけるPCB回路基板材料のガラス繊維効果の解析

これミリ波 （ミリ波）頻度 かつては研究開発（RD）のために残されたスペクトルの一部だった。しかし, ミリ波sは現在広く使われました. 先進的なパイロット支援システム（ADAS）及びミリ波レーダ安全システム及び第5世代（5 G）セルラー通信技術の発展に伴い周波数, ミリ波周波数は、世界中の数十億人によって使用されます. これは、28ギガヘルツ以上の周波数をサポートするプリント配線板材料の需要も成長し続けることを意味する. 高周波を特徴づける 回路 プレート枚材料, 例えば, 周波数は約80 GHzであり、測定する必要があるマテリアル ミリ波 周波数. しかし, そのような高い周波数範囲で, 業界標準はまだ決まっていない.

このようにして形成された種々の樹脂とガラス繊維とを混合することにより、このようにして形成されたプリント配線板の強度及び耐久性が大幅に向上する。回路基板が高い機械的強度を必要とする場合、ガラスクロスの1つ以上の層を誘電体基板に混合することができ、セラミック材料は、高い機械的強度を達成するために充填材として一緒に混合される。ロジャースのTo - Chern Rither 4830は、このアプローチを使用します。しかし、ガラス繊維は、通常、誘電材料（およびセラミックフィラー）より高い誘電率（dk）を有する織物構造である。異なるDK値を有する材料は、通常、混合プロセス全体において完全な均一分布を達成することができず、その結果、小さな面積で異なるサイズ及び間隔Dk変化を有する回路基板材料が得られる。RFおよびマイクロ波周波数では、DKのこの変化はそれほど重要ではないかもしれないが、より小さい波長でミリ波周波数で大きな影響を与える。

回路基板材料の回路性能に対するガラス繊維の効果はガラス効果（gwe）またはファイバ効果（fwe）と呼ばれる。ガラス繊維は、非常に薄く耐久性のある回路基板材料を作るのに役立つPCB材料の強化部分です。薄い材料は、コンパクトなパッケージ要件を有する用途に対して明らかな利点を有し、それらは、28 GHz以上の高周波ミリ波回路のような、より高い周波数、小波長回路用途に非常に適している。

理想的には、プリント回路基板材料は、一貫した性能を達成するために、ガラス繊維および銅箔を含む。ガラス繊維は、ミリ波応用の焦点だけでなく、高速デジタル回路にも影響を及ぼし、伝送遅延と隣接信号間の歪み、およびタイミング差（ビット誤り率の増加につながる）に影響を及ぼす。このブログは、ガラス繊維効果GWEが77 GHzと他のミリ波回路にどのように影響するかに焦点を当てます。

変化の識別

ミリ波周波数では、回路基板材料DKの小さな変化でさえ、信号遅延や伝送線位相差などの電気的特性の変化を引き起こす。より薄い回路では、ガラス繊維は強度を増加させるが、周囲の誘電体材料よりもはるかに高いdkを増加させる。ガラス繊維のDKは約6.0であり、誘電体材料のDkは約2.1〜2.6であり、混合後に約3.0のDkが得られる。高周波PCBを形成するために使用されるガラス繊維／布帛は、通常、完全なグリッドではなく、回路基板材料が製造される前に輸送及び取扱いにより変形することができる。

加えて、高周波PCB材料上の回路配線は、ガラス繊維効果が回路全体に対して多かれ少なかれ性能インパクトをもたらす原因にもなる。ガラスクロスはガラス繊維によって織り成され、そのパターンは回路基板材料の小面積では織り重ねられてガラス繊維が重なっているが、一部には空隙があり、ガラス繊維がない。これらのガラス繊維が織り込んだ領域では伝送線路の性能差が生じる。ガラス繊維の多い領域を「ナックルバンドル面積」と呼び、ガラスの少ない領域を「バンドルオープンエリア」と呼ぶ。「ナックルクロスゾーン」のDK値は、少ないガラス繊維で「バンドル開口部」より高くなる。回路基板材料の混合した性質のために、伝送ラインは、高いガラス繊維領域、ガラスのない領域を通過することができるかまたは「ジグザグ」形で同時に2つの領域を通過する。そして、それは同じ伝送線がDKが異なるところを通過させる。大きいパフォーマンス違い。

ガラス繊維の効果は、周波数が増加したり、より高いデジタル速度で、より重要になると、回路基板材料の研究開発担当者は、さまざまな種類のガラス繊維やパターンを介してこれらの効果を最小限にしようとします。ミリ波回路の回路基板材料として、106種類の開口バランスの取れたガラスクロス、1080タイプの不平衡織りガラスクロス、1078のフラットファイバー開口バランスガラス織布が使用されている。3種類のガラス繊維は比較的薄い。ここで、「バランス」織りとは、ガラス繊維のY軸上の緯糸にX軸上のガラスワープ糸の厚さと密度の比を指す。ガラス繊維糸束の間の開いた領域は、幾何学的な構造を有することができるが、ガラス繊維糸の厚みおよび密度はそれが釣り合っているかどうか決定する。1078本のガラス布は、平らな繊維を開いた編まれた構造を有して、繊維の開いている地域のない材料で均一に配布されます；106と1080のガラス布の材料は異なるが、織布ガラス繊維の間に開口部がある。

77 GHzの違い

回路基板材料の異なるガラスクロスタイプに関する研究は、伝送線回路が異なるガラス繊維「ナックル交差域」および「ビーム開口面積」にあることを見出し、その性能は著しく異なる。回路基板材料の上記3つの典型的なガラスクロスタイプから、設計のための回路を設計します。材料は、銅箔の粗さの影響を最小にするために、calenderedされた銅を使用して、ネットワーク・アナライザーで測定するために「ナックル交差域」および「ビーム開口面積」を通過する回路を選ぶ。測定パラメータは、各回路の群遅延、伝搬遅延および位相角応答、および結果として生じる性能差を含み、異なるガラス繊維および異なるガラス織り構造が回路内の異なるDK値を生成する方法について洞察を得るために。

この実験は4 mil厚さのポリテトラフルオロエチレン（ptfe）材料，充填剤，カレンダ銅，及び上記3種類のガラス布の組合せを使用した。1078形のガラス繊維回路基板材料は、回路に対する「ナックル交差面積」の方向と「ビーム開口面積」の方向との差を最小にする平坦でバランスのとれた形状を有する。この結果は、このような1078本のガラス繊維回路基板材料の回路の位相差が77 GHzの周波数では20度であることを示している。

他の二つのガラス繊維の性能はどのように比較するか？同じ4ミル厚のPTFE非充填圧延銅積層材料。106タイプのガラス繊維は、オープンウィーブでバランスのとれた構造を有する。77 GHzでの「ナックルクロスゾーン」と「ビームオープンゾーン」方向の位相角は100度である。同じ回路材料で使用されている1080型のガラスクロスは、オープンウィーブおよび不平衡構造を有し、77 GHzの周波数での回路の平均位相角差は149度である。

ガラス繊維の影響による回路基板材料のDKの違いは何か。以上の回路の結果から、「ナックルクロスビームエリア」の回路と「ビーム開口面積」の回路との違いは、1078本のガラスクロス材を用いた回路について、Dkの約0.02の変化に相当することを示している。106種類のガラスクロス材を使用してdkの違いは比較的大きく，0 . 09であった。1080タイプのガラスクロス材を用いた回路に対応するdk差は0.14に達した。

ガラス繊維の単層を用いた回路ラミネートでは，ガラス繊維の平均スタッキングがガラス分布をより均一にするので，ガラス繊維効果は多層ガラス積層体よりも明らかである。ミリ波回路では、波長は非常に小さく、通常の回路は非常に薄く、材料は通常ガラス繊維の層で補強されるだけである。この場合、回路性能は、ガラス繊維効果の影響を受ける。ガラス繊維の効果を完全に解決することはできないが、この材料を添加した材料（ガラスのDKと樹脂系のDKとの間）は、基板材料上のDKをある程度均一にすることにより、高周波下でのガラス繊維効果の影響を低減することができる。例えば、ロジャース社によって製造されたRO 4830本発明のラミネートは、1078の平坦なオープンファイバーガラスクロスおよびセラミックフィラーを有するこの種の回路材料である。

加えて、ロジャースは、1つの一般的に使用される回路基板の材料のガラス布を使用していません。これはdkが3 . 00のセラミック充填pcb材料であり，dkトレランスは±±04で制御された。このdk整合性はミリ波回路と高速ディジタル回路の差動対に必須である。

ガラス繊維を取り除く

ガラス繊維効果を完全に避けるための1つの方法は、ガラス繊維/布のない回路基板材料を使用することである。特に、77 GHzミリ波などの車載用レーダ回路では、ガラス繊維を用いない高周波回路基板材料をガラス繊維強化回路基板材料に比べて優れている。ロジャースの最新Rat 300 G 2は、ガラスクロスを含まない材料である。テストは、それが一貫したマイクロストリップ伝送線路インピーダンスのようなミリ波周波数で異なる回路基板間の非常に一貫した性能を有することを示した。

インピーダンス変化になると, その他の材料又は回路パラメータ, 導体幅の変化など, 銅厚, 基板厚, 伝送線路のインピーダンスの変化も生じる. しかし, 新しくリリースされた 高周波ボード 材料は完全に回路インピーダンスまたは性能変化に影響するガラス繊維効果因子を除去する, 77 GHzとより高い周波数にとって重要である.

注：このブログは、元の著者のYa -Le'sネットワークワークショップレポート「ミリ波のPCB性能に対するガラス繊維の影響の概観」（ミリ波PCB性能に対するガラス繊維の影響の概観）に基づいています。

デザインや加工について何か質問がありますか？ロジャースは、あなたが関連する援助を提供することができます。これで、ヘルプのエンジニアに連絡するためにロジャースの公式サイト“テクニカルサポートセンター”にログインすることができます。