5G 通信、衛星ナビゲーション、レーダー システムなどの高周波電子分野では、信号伝送の周波数は通常、GHz レベル以上に達します。現時点では、通常の PCB ボードはシグナル インテグリティ要件を満たすことができなくなり、その独特の材料特性とプロセス設計により、高周波 PCB ボードが避けられない選択肢となっています。-核心的な違いは、高周波PCBボード-そして普通のボード：
1、主な違い: 材料と性能における破壊的なブレークスルー
(1) 基板特性の本質的な違い
通常のPCBボード：FR-4を例にします
材料構成: エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維布を基板として使用し、コストが低く、プロセスが成熟していますが、誘電率が高く (通常 Dk=4.2-4.8)、誘電損失が大きい (Df=0.02-0.03)。
高周波の制限: 信号周波数が 1GHz を超えると、誘電損失が大幅に増加し、信号の減衰が大きくなり、周波数によって誘電率が大きく変動するため、インピーダンス制御が困難になります。
高周波PCBボード: PTFEおよびセラミック充填複合材料を例に挙げます
材料の革新:
PTFE ベースのシート: Rogers RT/duroid シリーズなど、Dk が 2.2 ～ 3.5 と低く、Df<0.001, Excellent frequency stability, suitable for ultra-high frequency scenarios above 10GHz.
IsolaFR408HR などのセラミック充填複合材料は、セラミック粉末充填により Dk (Dk=3.0-3.8) を低減し、熱伝導率を向上させ、高周波性能と加工コストのバランスをとります。-
主な利点: 低い誘電率により信号伝送遅延が減少し、低損失によりエネルギー減衰が減少し、周波数に対する Dk/Df の変化が 5% 未満であるため、高周波信号の位相の一貫性が確保されます。-。
(2) 構造レイアウトに関する特別な要件
通常のPCB積層レイアウト
信号層は電源層/地質層によって単純に分離されており、層間絶縁膜の厚さの許容誤差は±10%が許容されています。インピーダンス制御精度は通常±10%です。
高周波PCB積層レイアウト
厳密なインピーダンス制御: マイクロストリップ ライン、ストリップ ライン、コプレーナ導波管などの特定の伝送線路構造を使用すると、誘電体の厚さの許容差を ± 5% 以内に制御する必要があり、インピーダンス精度の要件は ± 5%、さらには ± 3% です。例えば、50Ωのマイクロストリップ線路の線幅計算では、銅箔の粗さによるインピーダンスへの影響を考慮しつつ、μmレベルの精度が求められます（粗さRaが0.5μm以下の場合、インピーダンス偏差を2～3％低減できます）。
電磁シールドの最適化: 高周波信号は電磁干渉の影響を受けやすいため、フルスクリーンのシールド層レイアウトまたは埋め込みコンデンサ/インダクタ構造がよく使用されます。クロストークを低減するために、層間に接地ビア アレイ (間隔 1 mm 以下) が追加されます。
(3) 加工技術の精度が飛躍的に向上
通常のPCB加工技術
穴あけ精度±50μm、エッチング線幅公差±10%、主にHASLによる表面処理、粗さRa=1-3μm。
高周波基板処理技術
穴あけ：機械的穴あけによる基板の剥離を避けるために、レーザー穴あけ（口径 0.1 mm 以下）または CNC 穴あけ機械（精度 ± 10 μ m）が使用されます。
エッチング：パルス電気めっきと化学エッチングプロセスを組み合わせて使用し、線幅公差は±5％以内に制御され、ワイヤエッジ粗さRaは0.4μm以下で信号散乱を低減します。
表面処理: 接触抵抗と表皮効果損失を低減するために、平坦度 Ra 0.2 μm 以下の ENIG (金層の厚さ 0.05 ～ 0.1 μ m) または化学銀メッキが推奨されます。
2、高周波 PCB ボード製造に関する主要な考慮事項-
(1) 材料選定：「使える」から「正確に適応する」へ
周波数範囲のマッチング
1 ～ 10GHz のシナリオ: オプションのセラミック充填 FR-4 (Nelco 4000-13SI など) または変性エポキシ樹脂シート (Dk=3.5-4.0、Df)<0.01).
10GHz シナリオ: PTFE ベースまたはセラミックベースの複合材料 (Taconic TLY-5、Dk=2.2、Df=0.0009 など) を使用する必要があります。
熱管理に関する考慮事項
高周波デバイスは発熱量が大きいため、熱伝導率が0.5W/(m・K)以上の基板(Rogers 4350Bの熱伝導率0.7W/(m・K)など)を選択し、ヒートシンクを内蔵した構造を設計する必要があります。
(2) プロセス制御：マイクロメートルレベルの精度をさらに追求
ラミネート加工
真空ラミネート機を使用し、圧力均一性は±2%以下、温度変動は±1度以下で、媒体層の厚みムラによるインピーダンスのずれを防ぎます。例えば、厚さ0.1mmの誘電体層の厚さ公差が±5μmを超えると、インピーダンス誤差は±4%を超えます。
パターン転写
従来の光学描画の代わりにレーザー直接描画技術を使用することで、線幅精度は±3μmに達し、50μm以下の極細線の作成に適しています。露光時には、現像過多や現像不足を防ぐため、光源の波長（365nmの紫外光）とエネルギー密度（120～150mJ/cm 2 ）を制御する必要があります。
リアルタイムのインピーダンス監視
回路製造の各層が完了したら、TDR を使用してオンラインでインピーダンスを測定し、設計値を比較することで後続のプロセス パラメーターを調整します。たとえば、測定されたインピーダンスが目標値より 8% 高い場合、エッチング前の銅箔の厚さを増やすか、線幅を微調整することで補正できます。-。
(3) 欠陥の予防と管理: 高頻度のシナリオにおける「致命傷」
中層気泡
高温プレス時の気泡発生による信号漏れを防ぐため、ラミネート前に基板と半硬化シートを含水率0.1%以下で真空乾燥(120度/2時間)してください。
銅箔粗さ
高周波回路では、粗さ Ra 0.3 μ m 以下の RTF または HVLP を使用する必要があります。通常の電解銅箔(Ra=1.0-1.5μm)では10GHzの信号損失が30%以上増加します。
ホールを介した寄生パラメータ
高周波ビアホールでは、バックドリル技術を使用して「スタブ」(残存パイル長0.5mm以下)を除去し、伝送線路のインピーダンスと一致するようにビアホールのインピーダンスを制御する必要があります(偏差5%以下)。穴あけされていないスルーホールは、10GHz で約 -20dB のリターンロスを生成します。
(4) 検出と検証: 多次元のパフォーマンスの浸透
シグナルインテグリティテスト
ベクトル ネットワーク アナライザを使用して S パラメータ (S11 -20dB 以下、S21 -3dB 以上 @ ターゲット周波数) を測定し、リターン ロスと挿入損失を評価します。
熱信頼性試験
260度/10秒のリフローはんだ付け試験を実施し、基板の剥離の有無を観察(スライス顕微鏡による層間接合面の検出)し、高温での誘電率の変化(ΔDk 3%以下)を試験します。
長期経年劣化検証
サンプルを 85 度 /85% RH の環境に 500 時間置き、絶縁抵抗 (10^9 Ω 以上) と誘電損失の変化 (Δ Df 5% 以下) をテストし、高周波性能の長期安定性を確保します。-
3、典型的なケース: 5G 基地局 RF ボードの高周波設計実践
5G 基地局 AAU (アクティブ アンテナ ユニット) の RF ボード設計では、Rogers6010LM ボード (Dk=10.2、Df=0.0023) を使用してマイクロストリップ アンテナ アレイを作成します。次の手段により、高周波パフォーマンスの画期的な進歩を達成します。-
スタック設計: 3層構造(信号層/グランド層/信号層)、誘電体厚0.254mm、インピーダンスコントロール50Ω±3%。
プロセス革新: CO₂ レーザー穴あけ加工 (口径 0.15mm) と化学銀メッキ表面処理 (粗さ Ra=0.15 μ m) を使用することで、18GHz 周波数帯域の挿入損失が 0.8dB/インチに低減されました。
テスト検証: VNA によって測定された 18 ～ 22 GHz の周波数帯域でのリターン ロスは -25dB 未満であり、RF リンクの 5GNR 標準の厳しい要件を満たしています。