通信ネットワーク分野における電気的性能とコストに基づくPCB材料選定

通信ネットワーク機器の分野において、高速システムの開発動向は、電気的性能に対してより高い要求をもたらしているPCB材料一方で、電子製品の価格競争力を高めるためには、材料コストの管理という観点から、より多くの要素を考慮する必要があります。電気的性能を満たしつつ価格競争力も備えた材料をどのように選定するかは、通信ネットワーク分野のPCB設計者に共通する関心事となっています。PCBCartは、さまざまな材料を用いた各種PCBを提供するグローバルな高品質PCBメーカーであり、高い電気的性能と低コストという要求に応える、最適な材料選定を専門としています。本稿では主に、Dk/Dfのテストおよび識別、銅箔粗さのハイブリッド適用、シグナルインテグリティのシミュレーションとテストなどを含む、PCB材料選定の手順と方法について論じます。さらに、材料選定の過程においては、異なるグレード間の材料価格比較や、同一グレード内での材料比較を分析し、コスト削減を図ります。PCBコスト.

通信ネットワーク機器におけるPCBの駆動要素とその材料開発への影響

通信ネットワーク機器に適用されるPCB設計には、高速化、高密度化、およびコストの3つの側面からの要求があり、それぞれがPCB材料の開発に影響を及ぼしている。この関係をまとめたものが、下記の図1である。

PCB材料選定における考慮事項

PCB設計の過程において、PCB材料の選定は主に、コスト、電気的性能、加工性、耐熱性、UL認証などの要素に依存します。

材料価格はPCB全体のコストに影響を与え、材料の電気的性能は信号の完全性に直接関係します。材料の加工性と耐熱性はPCBの信頼性を決定し、材料のUL適合性はUL認証申請の前提条件となります。これらすべての要素の中でも、加工性、耐熱性、およびUL認証は、あらゆる分野の製品におけるPCB設計の過程で考慮されるべきです。

しかし、通信ネットワーク用のPCBでは、高速から低速まで異なるレベルの要求があるため、異なるレベルのPCB材料が求められる。電気的性能と材料コストは通常相互に影響し合うため、クラスが高い材料ほど優れた電気的性能を有する一方で、コストも高くなるのが一般的である。さらに、同一クラスの材料であっても、材料の種類が異なることにより価格差が生じる。

PCB の電気的性能要件を満たしつつコスト管理も考慮できる材料の種類をどのように決定するかは、電気的性能パラメータを示す Dk/Df の正確な判断と見極め、電気的性能を確保するための低粗さ銅箔とのマッチング、そして各種材料間のコスト差の把握にかかっています。

したがって本稿では、PCB材料の選定にあたり、電気的性能とコストという2つの側面から分析を行う。

PCB材料選定における電気的性能とコストのバランスの取り方

・電気特性（Dk/Df）の観点から見た、PCB材料の特定および比較

選定した材料がシグナルインテグリティの要件を満たすようにするためには、まず最初に、電気特性（Dk/Df）の観点からPCB材料を評価・比較することが重要となる。

a. 材料間の電気的性能の比較手法および評価基準

異なるサプライヤーからの材料間で電気的性能を比較する場合、公平で客観的な参考値を得るために、同一の試験方法および同一条件の下で実施する必要があります。

サプライヤーが提供する仕様書には、対応するプリプレグおよびコア基板の Dk/Df 値が記載されていますが、その仕様データをそのまま参照することは、受け入れられず、また科学的でもありません。PCB 材料間の真の電気的性能比較は、サプライヤーごとに試験方法や試験条件が異なるため、実験データに基づくべきです。同じ試験方法を適用した場合でも、操作の違いによって差異が生じる可能性があります。

PCB材料の電気特性の評価基準は、DkおよびDfの値と、それらが各周波数においてどれだけ安定しているかである。低いDk/Dfは挿入損失を低減させることができ、ますます高速化する設計においては、パラメータとしてDkよりもDfの方が重要であることに留意すべきである。ここでいう安定性とは、試験周波数の上昇に伴ってDk/Dfが顕著に変化しないことであり、顕著な変化は信号完全性にとって好ましくない。以下の式は、Dk/Dfと挿入損失の関係を示している。

b. 実用試験結果に基づく材料間の比較サンプル

1). サンプルテストデータの蓄積

クラス0およびクラス1の材料は、より優れた電気特性を示し、超高速PCBにのみ使用されます。表1は、Dk/Df試験後の2つのクラスに属する8種類の材料の結果比較を示しています。

2). Dkの比較

表1に基づき、仕様データで比較を行う場合、その影響力に応じたDkの順序は 6＞3＞5＞7＞8＞4＞2＝1 となります。

しかし、同じ条件下では、その影響力に応じて Dk の順序は 6>5>8>3>7>4>2>1 となるべきであり、これは妥当な結果である。さらに、試験周波数の上昇に伴い、Dk も通常それに応じて変化することが分かる。試験結果に基づくと、各材料の Dk は 10GHz および 15GHz において変化量が 0.03 以内であり、優れた安定性を示している。

3). Dfの比較

表1に基づき、仕様データで比較を行う場合、その影響力に従うと Df の順序は 6>5>7>8>3>2=1>4 となります。

しかし、同じ条件下では、影響力に応じた Df の順序は 5>8>3>6>4>7>2>1 となり、これは妥当な結果である。さらに、試験周波数の上昇に伴い、Df も通常上昇することが結論づけられる。試験結果に基づくと、各材料の Df は 10GHz および 15GHz において優れた安定性を示し、その変化は 0.0005 以内に収まっている。

4). 材料の電気的性能の比較と判定

本節のパートaによると、材料5番は最も優れたDfと比較的優れたDkを有しているため、電気特性が最も良好である。次に、DkとDfの観点で5番に続く8番が続く。その次が3番である。6番は最も優れたDkを有しているものの、Dfは4番目の順位にとどまっている。次に4番と7番が続く。1番材料は電気特性が最も劣る。結論として、電気特性の優劣の順序は 5>8>3>6>4>7>2>1 となる。

・低粗さ銅箔の適用

以下の式は、銅箔の粗さと表皮効果および導体損失との関係を示しています。

この式では、a_{条件、粗い}導体の挿入損失を指します。R_RMS銅箔の粗さを指します。δスキン効果を指す。f頻度を指します。μそしてσ材料の導電率および透磁率を参照する。

この式に基づくと、銅箔の粗さが増加すると導体損失も増加することが結論づけられる。一般的な銅箔の粗さは通常 6μm 以上である。高速信号の伝送要件のおかげで、銅箔の粗さがおよそ 3μm の逆処理箔（RTF）および VLP 銅箔が開発され、適用されている。さらに高い高速信号の要求により、HVLP あるいは同等の銅箔によって、1μm～2μm の粗さが実現されている。

PCB材料の選定過程においては、挿入損失を低減し、材料の電気特性を向上させるために、低粗さの銅箔が採用される。実験結果に基づくと、No.4材料からはRTFまたはVLP銅箔を選択し、さらにHVLPまたは同等の銅箔へとアップグレードすることで、材料の電気特性を向上させ、導体の挿入損失を低減できると要約できる。銅箔の粗さの違いによる挿入損失の差は、周波数の上昇に伴い一層顕著になっている。低粗さの銅箔を採用することで、高周波環境における挿入損失を低減することが可能である。

・信号完全性のシミュレーションおよび試験検証におけるPCB材料の適合性の評価と判定

a. PCB材料の電気的性能の適合性を検証するためのシグナルインテグリティシミュレーション

シグナルインテグリティシミュレーションは、システム性能を予測し、材料の電気的性能の適合性を評価することができます。シミュレーションには、事前シミュレーションと事後シミュレーションの2つの形態があります。

プレシミュレーションは、回路図シミュレーションとも呼ばれ、設計前に行うシミュレーションを指します。プレシミュレーションの目的は、伝送線路の特性インピーダンス、スルーホールの容量効果、および配線間隔が伝送信号に与える影響を把握することであり、これによりPCB配線設計に役立てることができます。この段階では、PCB材料のDk/Dfについても検討しますが、あくまで初期評価にとどまります。

ポストシミュレーションとは、PCB 製造前の積層構成および配線設計完了後に、その正しさを検証することを指します。これは最終的な設計パラメータに基づいて実行され、伝送品質シミュレーションおよびクロストークシミュレーションを含みます。PCB 設計プロセスにポストシミュレーションのフローチャートを追加することで、ポストシミュレーションの結果に基づき、これまで選定してきた PCB 材料の電気特性が適切かどうかを判断することができます。

b. 信号インテグリティ試験によって判定された材料適合性

システム全体に対して実施されるシグナルインテグリティテストは、製品性能の確認である。低損失または低 Dk/Df の材料は、通信ネットワーク用 PCB 設計プロセスにおいて考慮すべき重要な要素である。高速設計では、PCB 材料の Dk/Df は誘電損失に大きく寄与する。というのも、PCB 材料の Df は誘電損失と正の相関があり、Dk もある程度寄与するため、システム全体の損失に影響を及ぼすからである。材料の Dk に基づく設計最適化はインピーダンスの連続性に影響し、それが直接、リターンロスおよびクロストークに影響を与える。

PCB材料の電気的性能は高速機器システムに大きな影響を与えるため、ネットワーク信号品質、トラックの崩れ、電磁干渉を含むシステム信号インテグリティ試験を実施することで、既存のPCB材料の適合性を確認することができる。試験方法には、インピーダンスアナライザ、ベクトルネットワークアナライザ、および時間領域反射計が含まれる。

・PCB材料の違いによって生じるPCBコストの変動

複数種類の材料から低コストのものを選定するためには、PCB材料の違いによって生じるPCBコストの変動を十分に把握しておく必要があります。

各種材料はそれぞれ固有のコア材およびプリプレグを有しているため、もし価格比較を一種類のコア材とプリプレグ、あるいは限られた種類のみに対して実施した場合、材料間のコスト比較の過程で偏差が生じ、PCB材料の選定を誤らせることになります。したがって、すべての一般的なコア材およびプリプレグについて価格比較を行い、その平均値を算出することで、PCB価格の差異を明確にする必要があります。

PCB の価格は、他の設計パラメータによっても影響を受けることは注目に値します。本記事では、PCB 材料の違いによってもたらされる PCB コスト低減割合のみに焦点を当てています。

a. 異なる電気性能レベルのPCB材料によって生じるPCBコスト差

シミュレーションの結果、低レベルの材料を適用する方が、高レベルの材料を適用する場合よりも、より顕著なコスト削減につながると結論付けることができる。

b. 同一クラス内での最適な材料選定によって生じるPCBコストの差異

同じクラス内であっても、これらの材料の間には価格差が生じます。電気的性能の互換性という前提のもと、コストを削減するために、価格面で優位性のある材料を優先的に採用すべきです。PCBCart では、あなたは～を活用することができます。PCB計算機設計要件に応じてさまざまな種類の材料を選択できるようになっています。もちろん、選択する材料が異なれば、見積もり結果も異なります。

・設計よりも基板材料の選定を優先しないシグナルインテグリティシミュレーション

PCB設計の過程において、信号品質の要求を低グレードの材料でも十分に満たすことができる製品に高グレードの材料を適用すると、PCBコストの無駄が生じます。これをPCB材料選定のオーバーデザインと呼びます。

タイプ番号の一貫性をシミュレーションすることで、過剰設計の問題を回避し、適切なクラスのPCB材料を選定できるようになり、材料クラスの低減によるコスト削減を促進できます。

・特別な設計を適用して挿入損失と信号伝送品質を改善し、低グレードの材料を使用できる可能性を高める

a. バックドリルおよびブラインドビア設計

バックドリルおよびデザインによる盲目スルーホールめっきによって引き起こされる信号伝送への影響を低減・除去することが可能である。なぜなら、スルーホールめっきは信号伝送品質を向上させる回路とみなすことができるためである。

b. 表面仕上げ

いくつかの調査に基づいてPCB表面処理高速PCBにおいては、ニッケルを使用しない表面処理を適用することが挿入損失の低減に有効であり、その結果、低グレード材料の適用可能性を高められることが確認されている。表面処理としては、OSPと無電解銀めっきのいずれも高速PCBに適用可能である。さらに、OSP PCBは低コストであることから、より多くの利点を有している。

c. 材料クラスを低減するための、高クラスおよび低クラス材料によるハイブリッドスタックの適用

一部の重要な信号配線は高速PCBの特定の層にのみ分布しているため、高速信号ラインを含まないコアボードには、グレードの低い材料や一般的な材料を使用することができ、コストを大幅に削減することが可能です。

通信ネットワーク機器において、PCB の材料選定でコスト効率を維持しつつ高い電気的性能を確保することは極めて重要です。設計者は、予算の制約内で最高の性能を達成できるよう、Dk/Df や銅箔表面粗さといったパラメータを検討する必要があります。賢明な材料選定によって、高速デバイスの機能性とコスト効率を向上させることが可能になります。

PCBCart は、性能とコスト効率を完璧に両立させたカスタマイズ PCB 材料ソリューションを専門としています。私たちの専門知識とリソースにより、お客様の特定のニーズに最も適した材料を容易に選定することができます。詳細なお見積もりや、設計および製造ソリューションにおける当社のノウハウでお客様の PCB プロジェクトをどのように支援できるかについては、ぜひ本日 PCBCart までお問い合わせください。

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