アンテナ基板は、一般的なPCBとは異なるものです。デジタル基板では、基板は主に機械的なキャリアとして機能します。アンテナ基板では、基板が回路の放射特性、信号損失、およびフィールドでの信頼性を直接形成します。材料を間違えると、いくらレイアウトスキルがあっても設計を救うことはできません。

この記事では、最近製造した2層AD250Cアンテナ基板を詳しく見ていきます。コンパクトで超薄型、そして純金仕上げです。構造とスタックアップに加え、しばしば見過ごされがちな質問に掘り下げていきます。なぜこの基板では、より一般的なENIG、イマージョンシルバー、またはOSPではなく純金が使用されたのか？

基板の外観

まず、完全な仕様から始めましょう。

ベース材料はRogers AD250Cで、2層リジッドPCBで、サイズは55.36mm x 76.2mm、公差は±0.15mmです。最小トレース幅とスペースは4/6ミル、最小穴径は0.4mmです。ブラインドビアやベリードビアはなく、すべての接続はスルーホールです。

完成基板の厚さは0.6mmで、外層には1oz（35μm）の銅、ビアメッキ厚は20μmです。表面仕上げは純金です。トップシルクスクリーンは黄色で、ボトムシルクスクリーンはありません。両面に緑色のソルダマスクが適用されています。すべての基板は出荷前に100%電気テストを受け、IPC-Class-2に準拠して製造され、アートワークはGerber RS-274-X形式で提供されます。

いくつかのパラメータがすぐに際立ちます。0.6mmの超薄型、純金仕上げ、そしてわずか2ネットの基板に49個のビア。

スタックアップ：薄型設計

スタックアップはシンプルです。35μmの銅、0.508mm（20mil）のAD250C基板、そして35μmの銅です。

完成厚さは0.6mmで、一般的な1.6mmのFR-4基板の約半分です。薄型アンテナ基板は2つの目的を果たします。スペースが限られたデバイスではモジュール全体の高さを低減し、特定のパッチアンテナや平面アンテナ設計では誘電体負荷の低減が放射効率を向上させます。しかし、薄型基板は製造上の課題をもたらします。0.6mmでは基板がより柔軟になり、穴あけ、メッキ、組み立て時に細心の注意が必要です。コアがわずか20milの厚さであるため、反り制御は特に重要です。

AD250Cを採用した理由

AD250Cは、Rogers社のガラス強化PTFEベースのアンテナラミネートで、ワイヤレスアンテナ市場、特にセルラーインフラ基地局、自動車テレマティクス、商用衛星ラジオ向けに特別に設計されています。

主な電気仕様は以下の通りです。10GHzでの誘電率2.5±0.04、10GHzでの損失係数0.0013、30mil、1900MHzでのPIM-159dBcです。

低Dkとアンテナ形状。

Dk値2.5は、FR-4の約4.3よりもはるかに低いです。アンテナ設計では、Dk値が低いほど、電磁界は誘電体内に集中するのではなく、空気中に広範囲に広がります。これにより、一般的に放射効率が向上し、誘電体に閉じ込められるエネルギーが減少します。また、アンテナ素子を自由空間波長に近いサイズにできるため、整合が容易になり、帯域幅が広がります。低Dfと損失。

損失係数0.0013は非常に低いです。FR-4は0.012から0.020の範囲であり、約10倍高いです。アンテナ周波数では、この差は挿入損失の低減とゲインの向上に直接つながります。材料の損失タンジェントは、一般的なワイヤレス帯域全体で0.002未満を維持するため、マルチバンド設計に適しています。低PIMとアンテナ性能。

受動間相互変調（PIM）は、セルラーインフラアンテナにとって重要な仕様です。2つ以上の信号が受動部品で混合すると、受信帯域に干渉する相互変調生成物が生成されます。AD250Cの-159dBcは、この効果を最小限に抑え、生産におけるPIM関連の故障による歩留まり低下を軽減します。寸法安定性。

CTEはX方向で47 ppm/℃、Y方向で29 ppm/℃、Z方向で196 ppm/℃です。ガラス強化構造は面内移動を抑制し、素子間隔が正確でなければならないアンテナアレイでは重要です。表面仕上げ：なぜ純金なのか、ENIG、イマージョンシルバー、またはOSPではないのか

これはこの基板で最も興味深い設計上の決定です。

アンテナ基板の表面仕上げは、偶然の選択ではありません。それは直接3つのことに影響します：RF損失、PIM性能、そして長期信頼性。

各オプションを見ていきましょう。ENIG：ニッケル層は高周波の殺し屋ENIGの構造は、銅→ニッケル（3～6μm）→金（0.05～0.1μm）です。金層は薄く、その下のニッケルが実際の仕事を行います。しかし、ニッケルは強磁性であり、抵抗率は銅の4倍以上です。

高周波では、表皮効果により電流が導体表面に押し出されます。28GHzでは、銅の表皮深さは約0.4μmにすぎませんが、ENIGのニッケル層はその10倍以上です。信号は実質的に非常に損失の多いニッケル層に閉じ込められます。測定では、ENIGを使用した28GHzアンテナは、ベア銅と比較して効率が0.7～1.2dB低くなります。

ENIGははんだ付けには適していますが、RFには適していません。

OSP：優れたRF、しかし短命

OSPはニッケル層なしで銅上に直接フィルムを形成し、優れたRF性能を発揮します（損失は理想的な銅に次ぐ）。しかし、2つの難しい問題があります。

第一に、OSPは絶縁体です。アンテナ基板にテストポイントがある場合やプローブ接触が必要な場合、OSPは接触不良や誤ったオープン回路レポートを引き起こします。

第二に、棚寿命はわずか3～6ヶ月で、リフローごとにフィルムが消費されます。両面実装基板や複数の熱サイクルを経る基板では、ボトム側のOSPは最初のリフロー後に劣化し始め、2回目のはんだ付けは危険になります。アンテナ基板は長期展開製品であることが多く、OSPの短い寿命は現実と一致しません。

イマージョンシルバー：アンテナ基板のスイートスポット

イマージョンシルバーはニッケルバリアなしで銅上に直接析出し、厚さはわずか0.15～0.4μmです。銀の抵抗率は銅よりわずかに高いだけなので、高周波信号はベア銅に近い表面を流れます。測定では、イマージョンシルバーのアンテナ効率はベア銅よりわずか0.1～0.2dB低いだけで、ENIGよりもはるかに優れています。

トレードオフは保管です。銀は変色し、硫化するため、密閉された湿度管理されたパッケージが必要です。棚寿命は6～12ヶ月です。

イマージョンシルバーの位置づけ：ベア銅に近いRF性能、中程度のコスト、ほとんどのアンテナアプリケーションに適しています。

純金：この基板が純金を選んだ理由純金もニッケル層の損失問題は回避しますが、その価値はさらに進んでいます。

極めて低いPIM。

AD250Cの主なセールスポイントの1つは、-159dBcという低PIMです。PIMは表面状態に非常に敏感です。金属酸化物、粗い表面、異種金属界面はすべて非線形ソースになります。純金は化学的に不活性で滑らかで、酸化物の形成に強く、ソースでのPIMを低減します。ENIGのニッケル層自体が異種金属であり、追加の非線形性を引き起こす可能性があります。変色した銀もPIMを劣化させる可能性があります。

長期信頼性。基地局アンテナは、熱サイクルや湿度にさらされる屋外に設置され、長年稼働します。純金は酸化、硫化、変色せず、接触抵抗は時間とともに安定します。OSPフィルムは時間とともに劣化し、銀は変色します。設置されてそのままにされるアンテナにとって、金の信頼性プレミアムは支払う価値があります。

はんだ付けおよびボンディングとの互換性。この基板には、トップサイドに27個のSMTパッド、スルーホールに24個のパッドがあります。純金は信頼性の高いはんだ付けをサポートし、ワイヤボンディングもサポートします。設計に直接チップアタッチメントが含まれる場合、純金は両方を処理できる数少ない仕上げの1つです。

トレードオフはコストです。これは選択肢の中で最も高価です。それによって得られるのは、最も低いPIMリスクと最も長い信頼性です。その他の構造詳細

4/6ミルトレースとスペース。

アンテナ基板では、この解像度は通常、整合ネットワーク、フィードライン、およびチューニング構造に使用されます。AD250Cのガラス強化は、エッチング中の加工性と寸法安定性を向上させ、この精度を実現可能にします。

49個のビア、2つのネット。これはより興味深い詳細の1つです。アンテナ設計でネット数が少ないのにビア数が多いのは、通常、接地構造を示しています。ビアフェンス、グランドプレーンのステッチング、またはエッジ接地スロットアンテナなどです。これらのビアは信号をルーティングしているのではなく、シールドと接地を提供しています。

基板には24個のスルーホールパッドと27個のトップサイドSMTパッドがあり、コネクタとコンポーネントの種類が混在しています。ボトムサイドSMTパッドはなく、ボトムが主にグランドプレーンまたは取り付け面として機能する設計と一致しています。0.4mm最小穴径。

これは最も細かいものではありませんが、0.6mmの薄型基板としては妥当な選択です。薄い材料に小さい穴を開けると、ドリル破損やメッキムラの危険があります。20μmのビアメッキは、バレル（穴の内壁）の完全性を保証します。

ソルダマスクとシルクスクリーン。両面に緑色のソルダマスク、トップのみに黄色のシルクスクリーン。ボトムサイドがグランドプレーンまたは取り付け面であり、マーキングが役に立たない場合、ボトムシルクスクリーンがないのは一般的です。緑色に黄色は、組み立てと検査のために良好なコントラストを提供します。

品質と納期この基板はIPC-Class-2規格に準拠して製造され、出荷前に100%電気テストを実施してネットの完全性とアイソレーションを確認しました。アートワークはGerber RS-274-Xで提供され、この機能は世界中で利用可能です。

この基板が示すもの

このAD250Cのビルドは、アンテナ基板が汎用PCBとどのように異なるかを示す良い例です。材料選択（Dk、Df、PIM要件によって決定される）が電気的な基盤を設定します。0.6mmの薄型構造は、コンパクトなモジュール統合をサポートします。純金仕上げは、表面導電率を保護しながらPIMリスクを最小限に抑えます。そして、低ネット設計での高ビア数は、アンテナレイアウトに典型的な接地構造を反映しています。

Rogers AD250Cや類似のPTFEベースラミネートの経験を持つ製造業者が必要なアンテナ設計に取り組んでいる場合は、要件を確認させていただきます。シンプルなパッチアンテナであっても、マルチエレメントアレイであっても、会話は電気的および機械的な制約から始まります。

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