RFおよびマイクロ波PCBの設計はなぜ難しいのか？

簡単に説明すると、RFおよびマイクロ波PCBは高周波で動作するように設計されているため、設計プロセスは少し複雑になります。信号ノイズに対してより敏感であることに加え、導電性材料を必要とし、鋭利な角があります。

RF およびマイクロ波 PCB は高周波信号を操作するように設計されています。

RFおよびマイクロ波回路基板は、高周波信号を操作するために設計された特殊な基板である。これらの基板は多くの場合、CTEが低い材料で作られており、高温条件下での安定性が高くなっている。また、多層のアライメントも容易である。さらに、多層ボードのスタックアップ構造が特徴で、組み立てコストの削減と性能の最大化に役立ちます。高周波信号はノイズに非常に敏感であり、設計者は回路基板がこのノイズに強いことを保証する必要がある。

RFプリント基板には高誘電率基板が不可欠です。比誘電率とは、誘電率と真空誘電率の比のことである。この特徴は、回路基板上に必要なスペースを最小限に抑えることができるため重要である。さらに、基板材料は高温でも低温でも安定でなければならず、湿度にも耐性がなければならない。

信号ノイズに対してより敏感である

高周波信号ノイズは、RFおよびマイクロ波プリント基板でよく発生する問題であり、設計者はその影響を低減するために特に注意しなければならない。RF信号やマイクロ波信号は、高速デジタル信号に比べて信号ノイズに対する許容度が非常に低いため、その影響を最小限に抑えるような形状にする必要があります。信号ノイズの経路が途切れないように、回路基板にはグランドプレーンを使用する。

信号ノイズはラジオやマイクロ波の基板に多くの悪影響を及ぼします。まず、RF やマイクロ波の信号は、最も抵抗の少ない経路を通るため、信号ノイズの影響を受けやすい。周波数の高い信号はインダクタンスの低い経路を通る傾向があり、信号ノイズやリンギングの原因となります。したがって、ドライバーからレシーバーまで連続したグランドプレーンを確保することが重要です。

熱を放散するために導電性材料が必要である。

RFまたはマイクロ波プリント回路基板に電力が印加されると、導電性材料は発生した熱を放散させなければなりません。これは、一般的な熱流モデルに従って、熱源から温度の低い領域へと熱が流れることで達成されます。一般的に、銅のような導電性材料は、損失なく熱を放散する能力があるため、RFアプリケーションに使用されます。

PCB基板の誘電率（Dk）は、その基板の放熱性を決定します。導電性材料で作られたPCBは、不活性材料で作られたものよりもDk値が低くなります。Dk値が高いほど、PCBは小さくなります。

複数のデザインルールが必要

RFおよびマイクロ波PCBには、最適な性能を得るために従わなければならない複数の設計ルールがある。例えば、RF/マイクロ波PCBのレイアウトは、導体間のインピーダンス整合の必要性を考慮しなければならない。さらに、回路レイアウトは、導体間のエネルギー交換であるクロストークのリスクも最小限に抑えなければなりません。

RF/マイクロ波プリント基板を設計する際のもう一つの重要なルールは、基板材料が低湿度を吸収できなければならないということである。これにより、回路基板に必要なスペースを小さくすることができます。基板材料のもう一つの考慮点は比誘電率で、これは誘電率と真空誘電率の比です。理想的には、RF/マイクロ波PCB材料の比誘電率は、線幅とインピーダンスの公差を損なうことなく、高速相互接続を可能にするのに十分高くなければならない。そのためには、予備的なパラメータと材料を注意深く分析し、回路基板図を用いて決定する必要があります。

フレックス基板設計とリジッド基板設計の違い

フレックスPCBに興味がある場合、フレックス基板設計とリジッド基板設計の違いが何なのか疑問に思うかもしれません。どちらも主な絶縁材料としてFR4を使用していますが、フレックス基板とリジッド基板にはいくつかの違いがあります。最初の大きな違いは、フレックス基板は表面に取り付けたり貼り付けたりできることです。もう一つの大きな違いは、フレックスPCBにシールドフィルムを追加できることです。リジッドPCBとフレックスPCBの最後の違いは、使用される絶縁材料の種類です。

FR4は、フレックスPCB用の最も一般的なリジッド絶縁材料です。

リジッドPCBはFR4エポキシラミネートで構成されています。通常、この材料はPCB製造のための最も安価な材料である。しかし、この材料は高温性能を必要とする用途には適していません。これに対処するため、メーカーはFR4コアに高温ラミネートを使用しています。その結果、コストが削減され、耐久性が向上し、性能が改善されます。

フレキシブルPCBは、ポリエステルやポリイミドフィルムなどの柔軟な素材から作られている。これらの材料は安価ですが、高周波回路には不向きです。リジッドPCBは、効率的に機能するためにFR4材料が必要です。リジッドPCBは、医療・製薬業界や各種機器にも使用されています。

FR4プリント基板を選ぶ際に考慮すべき点はたくさんありますが、最も重要なのは製品の品質です。多くのメーカーが手頃な価格の製品を製造していますが、品質に妥協すべきではありません。基板の層数を決定する場合、厚さは重要です。厚いシートの方が長持ちする。また、どのような電気回路にも不可欠なインピーダンス・マッチングが正しいかどうかも確認してください。

FR4は誘電率が非常に高く、高温や機械的条件に最適です。しかし、FR4は高周波用途には推奨されません。このような用途では、高周波ラミネートがより良い選択です。

フレックス基板設計におけるオフセット導体

オフセット導体は、フレックス回路の設計において重要な要素です。オフセット導体は多くの用途に最適ですが、問題を引き起こすこともあります。組み立て、使用、取り扱い中に損傷する可能性があります。これを防ぐには、使用する材料が重要です。使用される材料にはさまざまな種類があり、メーカーはどの種類が自社のニーズに最も適しているかを判断しなければならない。フレックス回路に使われる一般的な素材には、銅とポリイミドがある。

オフセット・トレースは、曲げ時に外部導体に過剰なストレスが集中するのを防ぐのに役立つ。銅フィーチャは、外層に最低 0.025 インチの隙間が必要です。さらに、フレックス層の厚さのバランスをとることも重要です。さらに、フレックス層はペアで使用することもできる。フレックス接着剤をリジッドエリアから離すことも重要です。さらに、平行レイアウトは機械的ストレスを排除するのに役立ちます。

フレックス回路には通常、リジッドとフレキシブルの2種類がある。フレキシブル・フレックス回路は、しばしばフレックス・ボード設計と呼ばれる。このタイプの基板は複数の銅層でできており、各層はさまざまな角度で曲げることができる。曲げ半径は、回路の形状と完全性を維持するために重要です。

フレックス回路はリジッド回路とは異なるが、多くの工程は同じである。フレックス材料（通常は銅クラッドポリイミド）は、穴あけ、メッキ、フォトイメージング、現像される。その後、余分な水分を取り除くために焼成される。最後に、基板が剥がれたり割れたりするのを防ぐカバーレイ層で覆われます。