はじめに
無線周波数 (RF) プリント回路基板:
RF プリント回路基板 (PCB) は、30 kHz から 100 GHz の広い周波数範囲で動作し、無線通信、レーダー システム、放送機器、その他の高周波アプリケーションで重要な役割を果たします。RF PCB の設計には、最適な信号整合性、伝送特性、信頼性を確保するための専門知識が必要です。
この記事では、レイアウトの考慮事項、スタックアップ設計、材料の選択、シミュレーション手法、製造および組み立てプロセスの複雑さなどの重要な側面を網羅した、RF PCB 設計の包括的なガイドラインを提供します。また、RF ボードに不可欠な主要なマイクロ波基板材料を評価し、Rogers、Taconic、Isola、Arlon ラミネートなどの一般的な選択肢を取り上げます。
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RF PCB
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Rogers PCB
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Arlon PCB
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Taconic PCB
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Teflon PCB
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Nelco PCB
RF PCB設計ガイドライン
無線周波数およびマイクロ波動作環境向けにプリント回路基板をレイアウトする場合、実証済みの設計戦略に従うことが重要です。RF およびマイクロ波 PCB 設計の重要なガイドライン:
ボード スタックアップ設計:
動作周波数、損失正接、熱伝導率、熱膨張係数 (CTE) に基づいて誘電体材料を選択します。
積層材料の数を最小限に抑えてスタックアップを簡素化します。
インピーダンス層を制御した対称スタックアップ構成を使用します。
必要に応じて薄い誘電体コアとプリプレグを組み込みます。
効率的な層遷移のために埋め込みビアとブラインド ビアを実装します。
3D 電磁 (EM) ツールを使用してスタックアップをモデル化およびシミュレートし、信号整合性解析を実行します。
トレース ルーティング:
信号損失と干渉を最小限に抑えるため、トレースの長さを短くまっすぐにします。
トレースの 90° ターンは避け、信号伝送をスムーズにするために 45° のマイター ベンドを使用します。
隣接するトレースを直交させてルーティングし、カップリングとクロストークを最小限に抑えます。
電圧レベルに基づいてトレース間の十分な間隔を維持します。
曲線およびテーパー曲げによるインピーダンス整合を最適化します。
トレースの幅と間隔を確認して、インピーダンスが制御されていることを確認します。
コンポーネントの配置:
コンポーネントを配置して、高速信号パスを最小限に抑えます。
最適なパフォーマンスを得るために、方向性コンポーネントを正しく向けます。
接続のために RF 入力ポートと出力ポートに簡単にアクセスできることを確認します。
相互作用するデバイスをグループ化して、信号パスの長さと干渉を減らします。
信号の相互汚染を防ぐために、アナログ セクションとデジタル セクションを分離します。
ルーティングとチューニング調整のために、デバイスの周囲に十分なスペースを割り当てます。
接地設計:
堅牢なグランド プレーンには連続銅充填を使用します。
低インピーダンス パスのグランド レイヤーを接続する複数のビアを実装します。
RF トレースを専用のグランド プレーンで囲み、戻り電流を効果的に管理します。
干渉を最小限に抑えるために、アナログ回路とデジタル回路に別々の接地を維持します。
グランド ループを減らすために、すべてのボード グランドが 1 点に収束するようにします。
グランドの連続性を高めるために、周辺グランド スティッチング ビアを組み込みます。
レイヤー戦略:
RF 信号、グランド、および電力分配用にプレーン レイヤーを戦略的に割り当てます。
ノイズから保護するために、敏感なトレースをソリッド グランド レイヤーの間に配置します。
信号の整合性を維持するために、リファレンス プレーンが途切れないようにします。
電源プレーンを効果的に使用して、敏感な回路をノイズ源から分離します。
設計の複雑さに基づいてレイヤー数を調整し、EMI 制御、熱管理、および機械的要件を最適化します。
パッシブ統合:
コンデンサや抵抗器などのパッシブ コンポーネントをレイアウトに統合します。
使用可能なコンポーネントに合わせて適切なコンポーネント フットプリントを選択します。
受動部品を、サポートする IC の近くに配置して、寄生効果を最小限に抑えます。
信号の整合性を最適化するために、該当する場合は埋め込み抵抗器とコンデンサを検討します。
インピーダンス整合と信号品質のために伝送線路構造を実装します。
遷移と終端:
層間の遷移時にマイクロストリップ トレースの幅を徐々に狭めてインピーダンスを維持します。
インピーダンスの不連続性を減らすために、共通グランド接続にビア フェンスを使用します。
スムーズな信号遷移のために、トレース幅をパッド幅に合わせます。
バックドリル技術を使用して、ビアの未使用部分を削除し、よりクリーンな信号パスを実現します。
伝送線路を適切に終端して信号の反射を防ぐため、抵抗器を含めます。
シールドとパーティション:
敏感な回路を分離するために、接地プレーンでボード セクションをパーティションします。
不要な周波数を抑制するために、電磁バンドギャップ構造を統合します。
シールド効果を最大限に高めるために、重要なトレースをソリッド グランド層の間に配置します。
電磁干渉 (EMI) 保護が重要な場合は、金属シールド エンクロージャを組み込みます。
エッジ メッキを実装して、シールド効果を高め、電気接続を堅牢にします。
シミュレーション:
包括的な 3D 電磁 (EM) および SPICE シミュレーションを実行して、設計のパフォーマンスを検証します。
アクティブ デバイスを含むボード全体をモデル化して、実際の相互作用をキャプチャします。
さまざまな条件下での信頼性を確保するために、最悪の許容誤差解析を実行します。
インピーダンス特性、信号損失、周波数応答を設計仕様に照らして検証します。
シミュレーション結果に基づいて設計を微調整し、製造前にパフォーマンスを最適化します。
材料の選択:
比誘電率 (Dk) と損失正接 (Df) の要件に基づいて材料を選択します。
予測可能なパフォーマンスを確保するために、誘電率の許容誤差が厳しい材料を選択します。
周波数範囲全体での Dk と Df の安定性を確認して、信号の整合性を維持します。
信頼性のために、吸湿特性とガラス転移温度 (Tg) を評価します。
材料の一貫性と品質を保証するために、信頼できるサプライヤーから認定ラミネートを調達します。
RF PCB用マイクロ波基板材料
ロジャース コーポレーション ロジャース コーポレーションは、航空宇宙、防衛、自動車レーダー、無線通信分野にサービスを提供する高周波プリント回路材料の最前線に立っています。ロジャースの主なマイクロ波ラミネートには、次のものがあります。
RO3003TM – 低誘電率 (Dk) および低散逸係数 (Df) のガラス マイクロファイバー充填 PTFE 基板。
RO4350BTM – 高誘電率で知られる織りガラス強化セラミック充填ラミネート。
RT/duroid® 6002 – 正確な Dk および Df 許容値を提供するセラミック充填 PTFE 材料。
RO4835TM – ガラス マイクロファイバー充填、セラミック充填ラミネート。
TMM® 10i – 織りガラス強化、セラミック充填 PTFE 材料。
タコニック タコニックは、次のものを含むさまざまな RF ラミネートを製造しています。
TLY-5TM – アナログ回路に最適な低損失熱硬化性ラミネート。
TLC-30TM – 低 DK ガラス マイクロファイバー PTFE 複合材。
RF-35TM – ブロードバンド アプリケーション向けに設計されたセラミック充填 PTFE 素材。
RF-60TM – 薄膜セラミック充填フッ素ポリマー ラミネート。
TacPreg® – さまざまな DK 値で利用できる低損失熱硬化性プリプレグ。
Isola Isola は、次のような高度な銅張積層板を提供しています。
IS680 – 低 DK ガラス織り強化ラミネート。
FR408HR – 厳格な誘電許容度を備えた高性能 FR-4。
P96 – 高い熱信頼性を持つ FR4 素材。
Getek® – ガラス マイクロファイバー強化フッ素ポリマー 基板。
ISOLA Astra MT77 – ブロードバンド アプリケーション向けにカスタマイズされた複合材。
Arlon Arlon は、マイクロ波および熱管理のニーズに対応する高性能ラミネートを専門としています。
CLTE-XT – 低 DK ガラス強化炭化水素セラミック ラミネート。
CLTE-AT – ガラス強化 PTFE 複合材料。
55NT – 経済的な織りガラス強化ラミネート。
25N – 非 PTFE、熱硬化性マイクロ波基板。
Park Electrochemical Park Electrochemical は、NelsonicTM RF/マイクロ波ラミネートを提供しています。これには以下が含まれます:
N9000-13EP – 精密織りガラス強化基板。
N9000-13SI – 充填セラミック PTFE 複合材料。
N9120-4 – PPS 熱可塑性強化材を使用した高周波ラミネート。
製造と組み立てに関する考慮事項
RF PCB の製造には、専門的な知識と、制御されたインピーダンス、厳しい許容差、精密な表面仕上げ、最高の信頼性を保証するプロセスへの細心の遵守が必要です。
RF PCB の製造と組み立てに関する主要なガイドライン:
インピーダンス許容差: 厳格な ±5% 以上の許容レベルを維持します。
検証基準: IPC ラミネート テスト ビークルを使用して、業界標準への準拠を検証します。
制御された環境: 製造全体にわたって温度と湿度の制御された条件を実装します。
材料仕様: 表面粗さ、銅の厚さ、誘電値が厳密な仕様に準拠していることを確認します。
ボンドプライの使用: インピーダンス制御されたボンドプライ内層材料を使用して、一貫したパフォーマンスを実現します。
シーケンシャル ラミネーション: シーケンシャル ラミネーション プロセスを実行して、レイヤー ボンディングの整合性を確保します。
品質検査: 材料の品質とプロセスの遵守を確認するために、厳格な検査プロトコルを実装します。
メッキ品質保証: 表面、穴壁、ビア充填検査を含む高品質のメッキを保証します。
自動光学検査 (AOI): AOI システムを使用して、正確な欠陥検出と検証を行います。
電気テスト: 時間領域反射率測定 (TDR) などの徹底した電気テストを実行して、信号の整合性を検証します。
固定具と治具の設計: 固定具と治具を開発して使用し、繰り返し可能な正確な組み立てプロセスを促進します。
熱プロファイリング: はんだ付けプロセス中に熱プロファイリングを実行して、信頼性とパフォーマンスを最適化します。
衝撃および振動テスト: 包括的な衝撃および振動テストを実施して、動作条件下での組み立ての堅牢性を検証します。
結論
ワイヤレスおよびマイクロ波アプリケーション向けの RF PCB の設計と製造には、設計ルールの厳密な遵守、綿密な材料選択、高度なモデリング ツール、および特殊な製造プロセスが必要です。この包括的なガイドでは、スタックアップ構成、レイアウトの最適化、接地技術、レイヤー管理、シールドの実装、シミュレーション方法、材料評価、高周波 PCB の開発に不可欠な製造手順など、重要な領域にわたるベスト プラクティスを概説しています。大手サプライヤーの一般的なマイクロ波ラミネート材料を比較することで、材料の適合性に関する洞察がさらに深まります。これらの確立された戦略に従うことで、RF 設計エンジニアは優れた信号整合性を実現し、無線通信、レーダー システム、およびその他の高周波アプリケーションで信頼性の高いパフォーマンスを確保できます。