PCB の材料特性とそれが高周波基板の性能に及ぼす影響

ラインの減衰に影響を与える最も重要な材料パラメータのいくつかは次のとおりです。

これらの特性と伝送線路の損失メカニズムをよく理解することは、アプリケーションに適切な PCB 材料を選択するのに役立ちます。 材料の選択は、PCB 設計プロセスの最初のステップです。 現在、高速デジタル基板や RF 製品の設計者は、数十の Dk 制御および低損失 PCB 材料から選択できます。 多くのラミネートサプライヤーは独自の樹脂システムを開発しています。

低損失伝送線の場合、誘電損失は 1 インチあたりの dB 単位で次の式で求められます。

\[\alpha_d \text{(dB/インチ)} = 2.32 f \tan(\delta) \sqrt{\epsilon_r}\]

ここで、f は GHz 単位の周波数です。 見てわかるように、誘電損失は材料の誘電率と損失正接によって直接決まります。 したがって、⍺d をできるだけ制限するには、tan(δ) と εr が低い材料を使用することができます。 非常に高い Gbps トランシーバーに推奨される材料の選択肢は、Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B、Panasonic Megtron 6 の 3 つです。下の図 1 は、これらの材料の損失正接を他の一般的な材料と比較しています。

低 Dk 材料を使用することでどのように基板の厚さを削減できるかをよりよく理解するために、図 2 に示すストリップラインを考慮してください。

IPC が推奨する、ストリップラインの特性インピーダンスの最も一般的な近似値は次のとおりです。

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0.8w+t} \big )\]

どこ：

Z0 とトレース幅 w が固定されている場合、より大きな εr を持つ材料を使用する場合は、プレーン間の間隔を大きくする必要があります。 言い換えれば、εr が大きいほど、基板全体の厚さが増加する可能性があります。 多数の信号層を備えた高密度基板では、基板の厚さが大幅に増加する可能性があります。 基板が厚いということは、デザインにはより大きなアスペクト比のビアが必要であることを意味します。 ビアのアスペクト比は、ビアの長さを直径で割ったものです。

たとえば、基板の厚さが 0.2 インチ、ビア ドリルの直径が 0.02 インチの場合、アスペクト比は 10:1 になります。 アスペクト比が大きいことの難しさは何ですか? 電気接続を提供するには、メッキ溶液を使用してビアの内部を銅で覆う必要があることを思い出してください。 図 3 は、アスペクト比 15:1 のめっき穴の断面を示しています。

ほとんどの PCB メーカーは、6:1 ～ 8:1 の範囲のアスペクト比でビアを作成する機能を備えています。 アスペクト比が高くなると、ビアバレルの内側部分の銅コーティングが薄くなる可能性があるため、メッキはますます困難になります。 これにより、熱応力下でビアの中心に亀裂が入りやすくなる場合もあります。 したがって、アスペクト比が大きくなると、より高価な PCB 製造技術を使用する必要が生じ、最終的な基板の信頼性が懸念される可能性があります。 より低い Dk の材料を選択すると、これらの問題をある程度軽減できます。

PCB 材料の誘電率は周波数の関数です。 以下の図 4 は、いくつかの一般的な PCB ラミネートの誘電率の周波数依存性を示しています。

Dk の変動はどのような影響を及ぼしますか? 誘電率は、特性インピーダンスと波速という 2 つの重要なパラメータに影響を与えます。 伝送線路を通る信号の伝播速度は次の式で与えられます。

\[v_p = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\]

ここで、c は真空中の光の速度です。

Dk の変動により、信号の異なる周波数成分の信号速度がわずかに異なる可能性があり、信号の分散が発生します。 また、周波数とともに Dk が減少すると、線路の特性インピーダンスが増加します (式 2)。 その結果、より高い周波数での信号反射が劣化します。 したがって、対象となる周波数範囲にわたって、より平坦な Dk 対周波数応答を持つ材料を使用することが望ましいです。

図 4 は、FR4 ファミリーの材料の Dk 対周波数応答が比較的大きな変動を示すことを示しています。 そのため、高速/高周波アプリケーションではこのタイプの材料を避けることが推奨されます (これのもう 1 つの理由は、PCB ラミネートの FR4 ファミリの誘電損失が高いことです)。 残念ながら、ほとんどのメーカーは、少数の特定の周波数でのみ Dk 値を指定していることに注意してください。