低損失PCB：高速信号性能に優れた先端材料

主なポイント

Rogers RO4003C、RO4350B、PTFEラミネートなどの先進材料を使用した低損失PCBは、マルチギガヘルツ周波数において誘電体損失を劇的に低減することで、優れた信号整合性を実現します。5G、ミリ波、RF、高速デジタル設計に最適であり、これらの基板は標準FR4と比較して、大幅に低い挿入損失、安定したインピーダンス、優れた熱性能を提供します。適切な低損失ラミネートを選択し、JLCPCBのような経験豊富なメーカーと協力することで、エンジニアは試作から量産まで信頼性の高い高周波性能を実現できます。

各信号がPCBを通過する際、各段階で少量のエネルギーを失います。ほとんどの民生用電子機器では、これは重大な損失ではありません。しかし、マルチギガヘルツ周波数で動作する回路を設計する場合、レーダーシステムを扱う場合、または5Gネットワークのインフラを構築する場合、1インチあたり数デシベルの余分な損失が設計の成否を分けることがあります。ここで低損失PCBが状況を一変させます。低損失材料の需要は過去数年間で劇的に増加しています。標準FR4は、25Gbpsを超えるデータレートやミリ波帯に入るRFアプリケーションのペースに追いつくことができません。

これは信号振幅を減衰させ、アイダイアグラムを歪め、受信機の感度を損なう帯域内ノイズフロアを生成します。長いトレース長と高い動作周波数では、エンジニアは良好な信号忠実度を持つ材料を必要とします。このガイドでは、PCBにおける「低損失」とは何か、このカテゴリーのトップ材料、それらを設計・製造するためのベストプラクティスを説明し、PTFEおよびRogers ラミネート に対するJLCPCBの先進的なPCB製造技術が、これらの困難な設計の実現にどのように役立つかをご紹介します。

低損失PCBの理解とその重要性の高まり

低損失PCBとは何か、その仕組み

低損失PCBとは、高周波数において低い誘電体損失を持つラミネート材料を使用して作られたプリント回路基板です。技術的に最も重要な特徴は、散逸率（Df）の非常に低い値であり、これは損失正接（tan delta）とも呼ばれます。標準FR4はDfが0.017～0.025の範囲であるのに対し、真の低損失材料は0.004以下であり、Rogers RT/duroid 5880のような超低損失ラミネートは0.001未満です。

しかし、なぜDfがそれほど重要なのでしょうか？ 電磁波が伝送線路に沿って伝搬する際、伝送線路からエネルギーの一部を吸収し、熱エネルギーに変換します。これが誘電体損失であり、高周波数および長いトレースほど大きくなります。Dfが小さいほど、吸収されるエネルギーが少なくなり、元の信号が変化することなく受信機に到達する割合が高くなります。

もう一つの理由もあります。低損失材料は、周波数および温度範囲にわたって低く安定したDk（誘電率）を示します。この安定性は非常に重要です。なぜなら、Dkは高速設計におけるインピーダンス制御に直接関係しているからです。しかし、温度や周波数の変化に伴ってDkが変化すると、完璧に設計された50オームのトレースは別物になり、不整合や反射が発生します。

5G、RF、高速デジタルアプリケーションに不可欠な理由

電子産業は現在、巨大な周波数シフトを経験しています。5G New RadioのFR2バンドは24.25 GHz～52.6 GHzです。自動車用レーダーシステムの周波数は77 GHzです。Kaバンドの周波数は26.5～40 GHzです。これらの周波数では、標準FR4の単位長さあたりの挿入損失が大きくなりすぎます。

例を見てみましょう。標準FR4（Df ~0.02）上の50オームマイクロストリップ トレースでは、10 GHzにおいて挿入損失は約0.8～1.0 dB/インチになります。同じトレース形状でRogers RO4003C（Df ~0.0027）を使用すると、その損失は約0.3 dB/インチに低減されます。6インチのトレースにわたるこの変化は、4 dB以上の信号節約に相当し、リンクバジェットの成功と失敗を分ける要因となり得ます。

低損失PCB材料の主な利点

大幅に低減された信号損失と優れた整合性

低損失材料の明らかな利点はシンプルです。送信信号のより多くの部分が目的地に到達します。これは設計全体を通じて多くの具体的な形で現れます。

• 挿入損失（S21）の低減： 挿入損失（S21）が低いということは、誘電体吸収による単位長さあたりの信号減衰が少ないことを示し、受信機の感度閾値を上回る信号振幅を維持するのに役立ちます。
• より開いたアイダイアグラム： 周波数依存損失が少ないため、符号間干渉（ISI）が減少し、受信機においてより広く開いたアイダイアグラムが得られます。
• 改善されたリターン損失（S11）： 安定したDk値により、より厳密なインピーダンス制御が可能になり、反射を最小限に抑え、帯域幅全体にわたってより良いインピーダンス整合を実現します。
• 位相歪みの最小化： Dkが周波数に対して一貫している場合、信号の異なるスペクトル成分がほぼ同じ速度で伝搬し、信号形状を維持することが可能です。
• ノイズフロアの低減： 誘電体損失が低いため基板内の熱ノイズが少なくなり、より良い信号対雑音比が得られます。

これらの改善は、RFおよびアンテナアプリケーションにおいて、より高い受信機感度、より長い通信距離、より高いデータスループットに直接つながります。デジタル設計では、ビットエラーが少なくなり、等化ハードウェアが動作するためのマージンが広がります。

改善された熱性能と長期的な信頼性

低損失材料は電気的な利点だけでなく、それ以上のものを提供します。これらの高価なラミネートの多くは、FR4ラミネートが使用できない過酷な環境での使用のために設計されています。

例えば、PTFEベースの材料は非常に熱的に安定しており、熱膨張係数（CTE）の要件に合わせてセラミックフィラーで改質することができます。Rogers RO4000シリーズのラミネートは、ガラス織物補強を備えた熱硬化性樹脂システムを特徴とし、一般的なFR4配合と比較して、Z軸方向に約46 ppm/Cの制御されたCTEを持っています。

性能、コスト、製造性のバランス

すべてのエンジニアが直面する問題があります。最高性能の材料が常に正しい選択とは限りません。低損失ラミネートの選択には、3つの競合する要素のバランスを取ることが含まれ、このバランスを誤るとプロジェクトが頓挫する可能性があります。

性能対コスト： 純粋なPTFEラミネートは、パネルあたり標準FR4の5～10倍のコストがかかる場合があります。Rogers RO4000シリーズのラミネートは、FR4の約2～4倍の価格ですが、20 GHz以下のほとんどのアプリケーションを満足させる優れた低損失性能を提供します。最も特殊な材料に手を伸ばす前に、リンクバジェット分析を実行し、設計に必要な実際のDf閾値を判断してください。

製造性が重要です： すべてのファブハウスがすべての材料を処理できるわけではありません。PTFEは特殊なドリリングパラメータ（スミアを防ぐための低い送り速度）、改質された穴準備化学処理、そしてその柔らかく変形しやすい性質のため慎重な取り扱いが必要です。対照的に、Rogers RO4000シリーズはFR4と同じラインで処理できます。これは大きな実用的利点です。

ハイブリッドスタックアップ はスマートな妥協案を提供します。 多くの設計では混合材料アプローチを使用し、RFまたは高速信号がルーティングされる層にのみ低損失ラミネートを配置し、電力分配と低速デジタル層には標準FR4または中損失材料を使用します。これにより、重要な部分で性能を犠牲にすることなく、コストを管理可能に保つことができます。

周波数に基づく材料選択の良い経験則は以下の通りです：

設計と製造のベストプラクティス

インピーダンス制御と伝送線路の最適化

インピーダンス制御と伝送線路の最適化は、伝送線路のインピーダンスの制御と設計の最適化を扱います。低損失材料での設計は、通常のFR4作業と比較していくつかの考え方の違いがあります。これらの材料の利点は、より厳密なDk公差ですが、それはスタックアップとルーティングで適切に使用された場合に限られます。

伝送線路のトポロジーから始めましょう。マイクロストリップは、コンポーネントの実装とチューニングの容易さから、ほとんどのRF設計で外層に使用され、ストリップラインはより良いシールドと低い放射損失のために内層に使用されます。もう一つの優れた選択肢は、グランド付きコプレーナ導波路（CPWG）で、特に厳密な電界閉じ込めが必要なミリ波設計に適しています。

以下は、 低損失インピーダンス制御システムを設計するための主要なステップです：

目標インピーダンスを事前に設定する： 一般的な値は、RF用の50オームシングルエンドと高速デジタル用の100オーム差動です。材料のDkは、これらの目標を達成するために必要なトレース幅に直接関係しています。

動作周波数におけるメーカー推奨のDk値を採用する： 1 MHzでのDkは10 GHzでは有効ではありません。常に周波数に固有の材料データシートのデータを使用してください。

銅の表面粗さを含める： 銅箔の粗さは、5 GHzを超える周波数での損失の主要な要因です。標準の電着銅（3～5 um）の代わりに、低プロファイルまたは超低プロファイル（VLP）銅箔（RMS粗さ1.5 um未満）を使用してください。

ビア遷移を最小化する： 各信号ビアはインピーダンス不整合と寄生インダクタンスを生じさせます。10 GHz以上では、バックドリルビアまたはブラインド/ベリードビア構造を使用して、ビアスタブ長を最小化してください。

連続した参照プレーンを維持する： 高速および/またはRF信号の参照グランドプレーン間の分割やギャップを避けてください。インピーダンス不連続と放射の増加は、帰還電流の乱れから生じます。

伝送線路に沿ってスティッチングを使用する： 平行平板モードと導波管効果を抑制するために、CPWGおよびシールドストリップライン設計では、定期的な間隔（対象の最高周波数でlambda/20未満）でグランドビアを導入してください。

精密エッチングとプロセスの一貫性

しかし、低損失PCBの製造には、通常のFR4製造よりも多くのプロセス制御が必要です。材料はドリリング、エッチング、ラミネーションの過程で異なる反応を示し、これらのタイプの材料の扱いに慣れていないファブリケーターは一貫性のない結果を生み出します。

1. ドリリング： PTFE材料は柔らかく、機械的ドリリング中にスミアが発生する傾向があります。スピンドル速度を下げ、送り速度を減少させ、変更された形状の特殊なビットを使用する必要があります。CO2またはUVレーザーを使用したレーザードリリングは、機械的変形なしでドリリングでき、よりきれいな穴が得られるため、マイクロビアに好まれます。
2. 銅の密着性： PTFEは本質的に銅に密着しません。無電解銅めっきステップへの接着を実現するには、部品の表面をプラズマまたはナトリウム-ナフタレンで処理する必要があります。処理しないと、熱サイクル中に銅が基板から剥離します。
3. エッチング精度： ミリ波周波数では、トレース幅の0.5 mil（12.7 um）の変動でも、インピーダンスが数オーム変化します。パネル全体にわたってPCBのインピーダンスを制御するには、エッチング公差を厳密にする必要があり、通常、低損失PCB製造では0.5 mil以下です。

ハイブリッドスタックアップ（PTFEまたはRogersとFR4層）は、制御されたラミネーションプロファイルでラミネートする必要があります。異なる流動特性と硬化温度を持つ様々な材料があり、プレスサイクルはスタックアップ内のすべての材料に対応し、どの層も過硬化または接着不足にならないようにする必要があります。

低損失PCB製造におけるJLCPCBの先進的な能力

プレミアム材料パートナーシップと高精度生産

低損失PCB製造の分野において、JLCPCBは材料とプロセス能力に多額の投資を行ってきました。JLCPCBは、RFおよび高速領域で最も信頼されている2つの材料ファミリー、PTFEとRogersラミネートをエンジニアに提供しています。これにより、Rogers RO4003C、RO4350B、PTFEベースのラミネートなどの材料を使用でき、各材料の処理に関する専門知識を持つメーカーを利用できます。

基板がPTFEであれ、厳密なインピーダンス公差のための精密エッチングが必要であれ、JLCPCBの生産ラインはこれらの困難な要件を満たすように設計されています。これにより、より先進的な材料PCBで一般的であった長いリードタイムと高いコストなしに、低損失設計に必要な精度と一貫性を提供する準備ができた製造パートナーが得られます。

試作から量産までの信頼性の高いスケーラブルな製造

低損失PCBプロジェクトでは、検証用の少数の試作から始め、小規模なパイロットランを行い、その後量産にスケールアップするという段階を経ることがよくあります。各段階で、JLCPCBは品質を確保し、このライフサイクル全体をサポートします。試作テスト用にわずか5枚の基板を発注する場合でも、迅速なターンアラウンドで対応でき、大規模なランを行う前に実際のハードウェアでアプリケーションのRFをテストできます。

スケールアップの準備ができたら、同じプロセス制御と材料調達がすべて生産に適用され、試作で認定した基板が生産で受け取るものと同じであることを保証します。この試作から生産への一貫性は、RF性能が製造変動に非常に敏感であるため、低損失設計にとって非常に重要です。試作から生産バッチにかけてのエッチング化学やラミネーション圧力は0.1デシベル単位で変動する可能性があり、厳しく予算管理されたミリ波リンクでは大きな違いを生むことがあります。

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低損失PCBに関するFAQ

Q: 低損失PCBとは何ですか？

低損失PCBとは、非常に低い散逸率（Df）、通常0.005未満のラミネート材料で作られたプリント回路基板です。これらの材料は、高周波数において基板に吸収される信号エネルギーの量を最小限に抑え、より低い挿入損失と優れた信号整合性をもたらします。

Q: 標準FR4の代わりに低損失PCB材料をいつ使用すべきですか？

設計が1 GHz以上で動作し、信号整合性が重要な場合、リンクバジェット分析でFR4の誘電体損失が許容できない信号減衰を引き起こすことが示された場合、またはRF、ミリ波、5G、PCIe Gen4/Gen5などの高速デジタルプロトコルを扱う場合に、低損失材料を検討してください。

Q: RogersとPTFEラミネートの違いは何ですか？

Rogers RO4000シリーズのラミネートは、セラミック充填炭化水素熱硬化性樹脂システムを使用しており、標準的なFR4製造装置で処理できます。RT/duroid 5880のようなPTFE（テフロンベース）ラミネートは、さらに低い損失を提供しますが、特殊な製造プロセスが必要です。

Q: JLCPCBは低損失PCB製造をサポートしていますか？

はい。JLCPCBは主に低損失PCB製造用にPTFEおよびRogersラミネートをサポートしています。その生産能力には、これらの材料が必要とする特殊な処理、DFMエンジニアリングレビュー、インピーダンス制御製造、一貫した品質が含まれます。

結論

低損失PCBの使用はもはや軍事的なニッチ要件ではなく、衛星システムや軍事レーダーで使用されています。世界が5G、自動車レーダー、高速ネットワーキング、IoTエッジコンピューティングの主流に向かうにつれて、マルチギガヘルツ周波数で信号整合性を維持する材料の需要が高まっています。成功する低損失設計の3つの鍵は、散逸率の役割を理解すること、周波数範囲に適したラミネートを選択すること、これらの材料に対する実証済みのプロセス能力を持つメーカーと協力することです。

ここでの教訓は、低損失の世界では、材料選択と製造実行が密接に関連しているということです。世界最高のラミネートであっても、そのラミネートの処理方法を知らない工場で作られた場合は最適とは言えません。PTFEおよびRogersラミネートのサポート、DFMレビュー、一貫した試作から生産までの品質により、JLCPCBは従来のコストとリードタイムなしに低損失性能を必要とするエンジニアにとって優れた選択肢です。 高周波または高速設計には、JLCPCBの高品質材料オプションを試して、次のプロジェクトの作成にどのように役立つかを発見してください。