はんだマスクを除去し、シルクスクリーンを除去し、さらにはガラス繊維クロスを基板から除去するとどうなるでしょうか?クリーンで予測可能な高周波パフォーマンスという 1 つのことだけを目的として構築されたボードが得られます。
今日は、TFA シリーズの PTFE セラミック複合材である TFA294 上に構築された 2 層リジッド PCB について説明します。これは標準的な RF ラミネートではありません。ガラス繊維クロスを含まず、異方性を最小限に抑え、10GHz でわずか 0.0010 の誘電正接を実現します。デザインについてご説明します。
PCB の概要: シンプルな構造、重大な意図
ボードのサイズは 97.53mm x 100.28mm です。仕上がりの厚さは 1.1 mm で、両方の外層に 1 オンスの銅が含まれています (約 35 μm)。最小トレース幅は 4 ミル、間隔は 6 ミル、ドリル穴の最小サイズは 0.35 mm です。ブラインドビアはありません。ビアメッキの厚さは20μmで、すべての基板は出荷前に100%の電気テストを受けます。
表面仕上げはイマージョン ゴールドで、RF 作業に堅牢で信頼性の高い選択肢です。
私が最近取り上げたいくつかのデザインと同様に、このボードにはソルダーマスクもシルクスクリーンも両面にありません。それは、高性能 RF ボードにとってよく知られたテーマになりつつあります。つまり、変数を除去し、不確実性を除去することです。
TFA294: 別の種類の PTFE ラミネート
TFA294 は市場に出回っているほとんどの PTFE ベースのラミネートとはまったく異なるため、ここでは材料に焦点を当てます。
TFAシリーズはPTFE樹脂とセラミックからなる誘電体層を採用しています。ただし、重要な違いは、ガラス繊維クロスが含まれていないことです。 RT/デュロイドなどの従来の PTFE ラミネートは、織られたグラスファイバーで強化されています。このガラス強化には 2 つの効果があります。機械的強度が増すだけでなく、微細な不均一性も生じます。電磁波がガラス繊維中を伝播すると、散乱して歪みます。影響は小さいですが、より高い周波数や敏感な用途では重要になります。
TFA はガラス繊維を完全に除去します。代わりに、新しいプロセスを使用して、ナノセラミックが均一に分散されたプリプレグシートを作成します。その結果、X/Y/Z 異方性が最小限に抑えられた材料が得られます。電気的特性はどの方向でも同じです。グラスファイバー織り効果はありません。予想外のバリエーションはありません。
電気的性能: 低損失、安定した Dk
TFA294 の場合、その数字は印象的です。
10GHz では、誘電率 (Dk) は 2.94 です。 20GHz では、散逸率 (Df) はわずか 0.0010 であり、非常に低い値です。 40GHzでもDfは0.0012と低いままです。この素材は、たとえミリ波の周波数であっても信号を侵食しません。
誘電率の温度係数 (TCDK) は、-55 °C ～ 150 °C の範囲で -5 ppm/°C です。それは素晴らしいですね。比較のために、多くの標準的な RF 材料の TCDK 値は -20 ～ -50 ppm/°C の範囲にあります。 -5 ppm/°C の TCDK は、誘電率が温度によってほとんど変化しないことを意味します。寒い朝と暑い午後の間でアンテナが大きく変動することはありません。
熱的および機械的特性
熱的数値と機械的数値は同様に確実です。
熱膨張係数は、X 軸と Y 軸の両方で 18 ppm/°C、Z 軸では 32 ppm/°C です。 X/Y 値は銅と非常によく一致します。銅は約 17 ppm/°C にあります。この厳密な一致により、熱サイクル中にメッキされたスルーホールと表面実装パッドにかかるストレスが軽減されます。
熱伝導率は0.59W/m・Kです。これは標準 FR-4 の約 2 倍であり、アンプや給電ネットワーク アプリケーションの消費電力を軽減します。
吸湿性はわずか 0.03% と非常に低いです。 PTFE 材料は本来疎水性であり、セラミックを配合しても疎水性は変わりません。このボードは湿気の多い環境でも安定したパフォーマンスを維持します。
可燃性評価は UL 94-V0 で、ほとんどの航空宇宙および防衛用途の標準安全要件を満たしています。
なぜガラス繊維が重要ではないのか
ガラスのない構造は本当に重要なので、少し時間をかけて説明したいと思います。
従来の PTFE/セラミック ラミネートでは、強化材としてガラス繊維クロスが使用されていました。ガラス繊維は、PTFE とセラミックの混合物とは異なる誘電率を持っています。電磁波が全体に伝わると、これらの繊維に遭遇して散乱します。この効果は「繊維織り効果」または「ガラス織り効果」と呼ばれます。より低い周波数では、それは無視できます。マイクロ波周波数以上では、アレイ全体に位相変動が発生する可能性があり、フェーズド アレイ アンテナにとっては大惨事になります。
TFA294 はガラス繊維を完全に除去することでこの問題を解決します。誘電率は基板全体で均一です。フェーズド アレイ内のすべてのパッチ アンテナは、同じ電気環境を認識します。位相の一貫性が向上します。ビームフォーミングがより正確になります。
超低損失、全温度範囲で安定した Dk、銅と一致した CTE、およびガラスフリー構造の組み合わせにより、この材料は、宇宙機器、航空レーダー、衛星通信、ナビゲーション システムなど、故障が許されない用途に適しています。
代表的な用途
いくつかの実践的なメモ
このデザインを実稼働環境に導入する前に、留意すべき点がいくつかあります。
まず、すべての PTFE ベースの材料と同様に、TFA294 には特別な穴の準備が必要です。 PTFE 表面は化学的に不活性です。標準の FR-4 デスミアプロセスは機能しません。製造業者は、銅めっきの前にプラズマまたはナトリウムナフタレン処理を使用する必要があります。この機能を事前に確認してください。
第二に、マスクなしの設計は、銅が完全に露出していることを意味します。イマージョン ゴールドは保護機能を提供しますが、ボードの取り扱いには注意が必要です。清潔な手袋、密閉した保管、慎重な組み立てが不可欠です。
第三に、材料にはガラス繊維クロスが含まれていません。これは電気的性能にとっては利点ですが、同じ厚さのガラス強化代替品よりもボードの剛性がわずかに低い可能性があることを意味します。厚さ 1.1 mm なので、これが問題になる可能性は低いですが、非常に大きなパネルや乱暴な取り扱い条件では注意が必要です。
最終的な考え
この 2 層 TFA294 ボードは、目的を持った設計の研究です。マスクを外します。シルクスクリーンを取り外します。ガラス繊維を取り除きます。低損失、安定した Dk、一致した CTE、クリーンな信号伝播など、重要なものだけを保持します。
TFA294 は Rogers RT/duroid などの確立された材料の直接の代替品ですか?それはあなたの具体的な要件によって異なります。しかし、ガラス織り効果が大きな懸念事項であり、温度安定性が重要である航空宇宙、レーダー、衛星用途では、この材料は真剣に検討する価値があります。
これまでにガラスを含まない PTFE セラミック複合材料を扱ったことがありますか?貴社の用途において、従来の織物強化ラミネートと比較してどうでしたか?
はんだマスクを除去し、シルクスクリーンを除去し、さらにはガラス繊維クロスを基板から除去するとどうなるでしょうか?クリーンで予測可能な高周波パフォーマンスという 1 つのことだけを目的として構築されたボードが得られます。
今日は、TFA シリーズの PTFE セラミック複合材である TFA294 上に構築された 2 層リジッド PCB について説明します。これは標準的な RF ラミネートではありません。ガラス繊維クロスを含まず、異方性を最小限に抑え、10GHz でわずか 0.0010 の誘電正接を実現します。デザインについてご説明します。
PCB の概要: シンプルな構造、重大な意図
ボードのサイズは 97.53mm x 100.28mm です。仕上がりの厚さは 1.1 mm で、両方の外層に 1 オンスの銅が含まれています (約 35 μm)。最小トレース幅は 4 ミル、間隔は 6 ミル、ドリル穴の最小サイズは 0.35 mm です。ブラインドビアはありません。ビアメッキの厚さは20μmで、すべての基板は出荷前に100%の電気テストを受けます。
表面仕上げはイマージョン ゴールドで、RF 作業に堅牢で信頼性の高い選択肢です。
私が最近取り上げたいくつかのデザインと同様に、このボードにはソルダーマスクもシルクスクリーンも両面にありません。それは、高性能 RF ボードにとってよく知られたテーマになりつつあります。つまり、変数を除去し、不確実性を除去することです。
TFA294: 別の種類の PTFE ラミネート
TFA294 は市場に出回っているほとんどの PTFE ベースのラミネートとはまったく異なるため、ここでは材料に焦点を当てます。
TFAシリーズはPTFE樹脂とセラミックからなる誘電体層を採用しています。ただし、重要な違いは、ガラス繊維クロスが含まれていないことです。 RT/デュロイドなどの従来の PTFE ラミネートは、織られたグラスファイバーで強化されています。このガラス強化には 2 つの効果があります。機械的強度が増すだけでなく、微細な不均一性も生じます。電磁波がガラス繊維中を伝播すると、散乱して歪みます。影響は小さいですが、より高い周波数や敏感な用途では重要になります。
TFA はガラス繊維を完全に除去します。代わりに、新しいプロセスを使用して、ナノセラミックが均一に分散されたプリプレグシートを作成します。その結果、X/Y/Z 異方性が最小限に抑えられた材料が得られます。電気的特性はどの方向でも同じです。グラスファイバー織り効果はありません。予想外のバリエーションはありません。
電気的性能: 低損失、安定した Dk
TFA294 の場合、その数字は印象的です。
10GHz では、誘電率 (Dk) は 2.94 です。 20GHz では、散逸率 (Df) はわずか 0.0010 であり、非常に低い値です。 40GHzでもDfは0.0012と低いままです。この素材は、たとえミリ波の周波数であっても信号を侵食しません。
誘電率の温度係数 (TCDK) は、-55 °C ～ 150 °C の範囲で -5 ppm/°C です。それは素晴らしいですね。比較のために、多くの標準的な RF 材料の TCDK 値は -20 ～ -50 ppm/°C の範囲にあります。 -5 ppm/°C の TCDK は、誘電率が温度によってほとんど変化しないことを意味します。寒い朝と暑い午後の間でアンテナが大きく変動することはありません。
熱的および機械的特性
熱的数値と機械的数値は同様に確実です。
熱膨張係数は、X 軸と Y 軸の両方で 18 ppm/°C、Z 軸では 32 ppm/°C です。 X/Y 値は銅と非常によく一致します。銅は約 17 ppm/°C にあります。この厳密な一致により、熱サイクル中にメッキされたスルーホールと表面実装パッドにかかるストレスが軽減されます。
熱伝導率は0.59W/m・Kです。これは標準 FR-4 の約 2 倍であり、アンプや給電ネットワーク アプリケーションの消費電力を軽減します。
吸湿性はわずか 0.03% と非常に低いです。 PTFE 材料は本来疎水性であり、セラミックを配合しても疎水性は変わりません。このボードは湿気の多い環境でも安定したパフォーマンスを維持します。
可燃性評価は UL 94-V0 で、ほとんどの航空宇宙および防衛用途の標準安全要件を満たしています。
なぜガラス繊維が重要ではないのか
ガラスのない構造は本当に重要なので、少し時間をかけて説明したいと思います。
従来の PTFE/セラミック ラミネートでは、強化材としてガラス繊維クロスが使用されていました。ガラス繊維は、PTFE とセラミックの混合物とは異なる誘電率を持っています。電磁波が全体に伝わると、これらの繊維に遭遇して散乱します。この効果は「繊維織り効果」または「ガラス織り効果」と呼ばれます。より低い周波数では、それは無視できます。マイクロ波周波数以上では、アレイ全体に位相変動が発生する可能性があり、フェーズド アレイ アンテナにとっては大惨事になります。
TFA294 はガラス繊維を完全に除去することでこの問題を解決します。誘電率は基板全体で均一です。フェーズド アレイ内のすべてのパッチ アンテナは、同じ電気環境を認識します。位相の一貫性が向上します。ビームフォーミングがより正確になります。
超低損失、全温度範囲で安定した Dk、銅と一致した CTE、およびガラスフリー構造の組み合わせにより、この材料は、宇宙機器、航空レーダー、衛星通信、ナビゲーション システムなど、故障が許されない用途に適しています。
代表的な用途
いくつかの実践的なメモ
このデザインを実稼働環境に導入する前に、留意すべき点がいくつかあります。
まず、すべての PTFE ベースの材料と同様に、TFA294 には特別な穴の準備が必要です。 PTFE 表面は化学的に不活性です。標準の FR-4 デスミアプロセスは機能しません。製造業者は、銅めっきの前にプラズマまたはナトリウムナフタレン処理を使用する必要があります。この機能を事前に確認してください。
第二に、マスクなしの設計は、銅が完全に露出していることを意味します。イマージョン ゴールドは保護機能を提供しますが、ボードの取り扱いには注意が必要です。清潔な手袋、密閉した保管、慎重な組み立てが不可欠です。
第三に、材料にはガラス繊維クロスが含まれていません。これは電気的性能にとっては利点ですが、同じ厚さのガラス強化代替品よりもボードの剛性がわずかに低い可能性があることを意味します。厚さ 1.1 mm なので、これが問題になる可能性は低いですが、非常に大きなパネルや乱暴な取り扱い条件では注意が必要です。
最終的な考え
この 2 層 TFA294 ボードは、目的を持った設計の研究です。マスクを外します。シルクスクリーンを取り外します。ガラス繊維を取り除きます。低損失、安定した Dk、一致した CTE、クリーンな信号伝播など、重要なものだけを保持します。
TFA294 は Rogers RT/duroid などの確立された材料の直接の代替品ですか?それはあなたの具体的な要件によって異なります。しかし、ガラス織り効果が大きな懸念事項であり、温度安定性が重要である航空宇宙、レーダー、衛星用途では、この材料は真剣に検討する価値があります。
これまでにガラスを含まない PTFE セラミック複合材料を扱ったことがありますか?貴社の用途において、従来の織物強化ラミネートと比較してどうでしたか?
