GHzオーダーの高速通信するプリント基板を作りたい。
- 高周波用の基板材料があるって聞くけど、『FR-4』ではダメなの？
- 高周波で問題になるプリント基板の『損失』ってなに？ 波形にどう影響するの？
- 高周波用の基板材料メーカーの情報も知りたい。
こんな疑問にお答えします。
この記事の内容
- 高速通信用のおすすめ基板材料とは？
- プリント基板が持つ「損失」と波形への影響
- 基板材料の特性を比較【Megtron6 vs FR-4】
- 高速通信用の基板材料の特性を比較【7社】
この記事を書いているわたしは、デジタル回路設計歴20年です。これまでの経験と知識を活かし、現在はマネージャーとして商品企画や開発チームのサポートを行っています。
「FR-4」は、たくさんの電子機器に使われているプリント基板の材料です。でも、高速通信する基板にも、今までとおり「FR-4」を使っても大丈夫なのでしょうか？
実はこの「FR-4」、「高い周波数の信号が通りにくい」という性質があります。なので、高速通信する回路や高周波回路では通信トラブルが起こることがあります。
そういう高い周波数を扱う基板には、損失が少ない材料の『低伝送損失材料』がおすすめです。
記事の前半では、プリント基板が持つ『抵抗損失』と『誘電損失』を説明しています。
この2つの『損失』は周波数の高い高周波信号に対して波形を減衰させるような影響を与えてきます。高速通信・高周波回路設計をするときには、ぜひともおさえておきたい知識ですね。
さらに、記事の後半では、低伝送損失材料の「パナソニック社Megtron」と「FR-4」という2つの異なる種類のプリント基板の特性を比較しています。
ここで出てくる「低伝送損失材料」は、その名前からわかるように、「損失」が少ない材料です。この損失の少ない「低伝送損失材料」を使うと、信号が減衰しにくく安定した通信を行うことができます。
もくじ
高速信号が通る基板には『低伝送損失材料』がおすすめ
GHzオーダーの高速通信・高周波回路の基板材料は、結論から言うと、
ギガビットの高速通信・高周波回路には、伝送損失の小さい基板材料（低伝送損失）を使う
です。
なぜなら、FR-4を使うと高周波でのプリント基板の損失が大きく、信号が減衰して通信不良になる場合があるからです。
高周波の信号を扱う基板では、損失の小さい『低伝送損失』の基板材料を使うことで、信号が減衰しにくくなり安定した通信ができます。
高速通信回路の基板を作るときのポイントは、「基板パターン設計技術」だけでなく、「プリント基板の材料選び」も重要です。
【注意】知らないと失敗する。プリント基板に隠れた2つの『損失』
プリント基板が持つ損失には、以下の2つがあります。
「損失」のことを、回路設計の現場では「ロス」（Loss）とも言います。
① 抵抗損失
- 配線パターンの抵抗や「表皮効果」による損失です。
- 抵抗損失は、パターン幅Wに反比例し、周波数fの平方根√fに比例して増加します。
- 「表皮効果」とは、周波数が高くなるにしたがって、配線パターンを流れる電流がパターンの表面に集中して、パターンの内部に流れにくくなる現象のこと。
② 誘電損失
- 電気信号が誘電体（プリント基板の絶縁層の部分）の中を通るときに発生する損失です。
- 誘電損失は、周波数fに比例して増加します。周波数が低いと誘電損失は小さいですが、周波数が高くなるほど誘電損失の影響が大きくなってきます。
上記のとおり、プリント基板がもつ「抵抗損失」と「誘電損失」は、周波数が高くなるほど増えていき、基板パターンがまるで「ローパスフィルタ」のように働きます。
結果、信号振幅は基板を通ることでだんだんと小さくなっていきます（減衰する）。
低い周波数では「抵抗損失」の影響の方が大きいですが、ある周波数を境に、周波数に比例する「誘電損失」の影響の方が大きくなって、損失が急に増えていきます。この2つの損失は、「5GHz（10Gbps）ぐらいを境に逆転する」と聞いたことがあります。
次の章で、信号波形が減衰するようすをシミュレーションで見てみましょう。
プリント基板の『損失』が信号波形に与える影響
プリント基板の損失が大きいと、下図左側のNG波形のように、信号の振幅が小さくなってアイパターンがつぶれる場合があります。
結果、通信不良が発生してシステムが誤動作してしまいます。（これって大問題ですよね？）
【FR-4】つぶれた波形
【低伝送損失】きれいな波形
損失の小さい『低伝送損失』の基板材料を使うと信号が減衰しにくいので、上記右側のように「きれいな波形」で通信できます。
最近では、以下のような高周波・高速デジタル通信の製品が増えてきています。
- 第５世代移動通信システム（5G）
- 光ファイバー通信
- 無線LAN、IoT
実機トラブルが少ない製品開発をするには、デジタル回路設計者でも、「基板の材料特性によって、信号波形が影響をうける」ってことは知識として知っておくことをおすすめします。
プリント基板を、RLCの部品で図にしてみる（分布定数回路）
ご存知ですか？
実は、プリント基板の配線は、抵抗R・インダクタンスL・容量Cの成分を持っています。（この成分を「寄生成分」と言います）
値がめちゃくちゃ小さいので、一般的な電子回路設計ではこの「寄生成分」を気にする必要はありません。
一方、信号の周波数がGHzの「高周波回路」では、この「寄生成分」の影響を考えて基板設計をしないといけません。
下図は、「分布定数回路」と言われているものです。配線パターンをどんどん細かく分けていき、分けた1つ１つのパターンを、RLCの部品で表した図です。
実際の基板パターンを見たときに、上図に描かれたRLCの部品がのっている様子はもちろん目では見えません。
でも、現物の基板には何かしらの「電気的な特性が存在している」、のはぼんやりでもイメージできますよね？
たとえば、1cmの短い配線パターンがあるとします。
物理的に、幅や厚さがある「銅」の物体です。短いですが、抵抗値やコンデンサ成分がわずかでも存在するのはイメージできるのではないでしょうか？
基板そのものが持っている寄生成分（抵抗・インダクタンス・容量成分）は、周波数が”低い”信号に対しては影響がほとんどないので、低周波信号の回路設計では基板の寄生成分による「損失」を意識する必要はありません。
一方、周波数が高くなると、上図のように基板パターンがまるでRLC部品のように振る舞って、信号に影響を与えてきます！
「信号の周波数が高くなると、信号の「波長が短くなる」ので、基板上の小さな部品でも、信号からは相対的に大きく見えて影響も大きい。」ってことか。
FR-4 と MEGTRON6（低伝送損失）の特性比較
「FR-4」（Flame Retardant Type 4）とは、ガラス繊維にエポキシ樹脂をしみ込ませて、さらに熱硬化させて板状にした素材。
略して「ガラエポ」とも呼ばれます。
「MEGTRON6」はパナソニック社が開発した「低伝送損失」の基板材料の一つです。
以下は、①FR-4と、②低伝送損失材料「MEGTRON6」の比較表です。基板材料の特性は、パナソニック社のサイトから引用しました。
| 項目 | ① FR-4 | ② 低伝送損失材料 |
|---|---|---|
| 基板材料 | R-1766 | MEGTRON6 |
| 比誘電率 | 4.3 | 3.4 |
| 誘電正接 | 0.016 | 0.004 |
『誘電正接』を比べてみる
上の表で、左端の項目の一番下「誘電正接」に注目してください。
①「FR-4」は0.016で、②「低伝送損失材料」は0.004です。「誘電正接」の値は、①「FR-4」より②「低伝送損失材料」の方が小さくなっています。1ケタ小さいです。
それでは、「誘電正接」とは何でしょうか？
「誘電正接」は、「電気信号が材質を通過する際にどれだけのエネルギーが失われるか」を示す指標です。
「誘電正接」が小さいほど、プリント基板で失われるエネルギーロス（誘電損失）が少なく、波形がなまらずに信号がクリアに伝わるということです。
つまり、②「低伝送損失材料」は、高周波信号や高速デジタル伝送に適した基板材料と言えます。
「MEGTRON」のような、「低伝送損失」の基板材料が開発されたおかげで、プリント基板でGHzオーダーの高速デジタル信号の伝送がが実現できています。
「誘電正接」のことを、回路設計の現場では「タンデル」（書き方：tanδ）と言ったりします。
『伝送損失』を比べてみる
次は、「伝送損失」を比べてみます。
伝送損失とは、周波数によって、基板の損失がどれくらい変わるかを表したものです。下のグラフで比較している基板材料は、①「FR-4」と ②「低伝送損失材料」です。
このグラフの見方は次のとおり。
- ヨコ軸：周波数[GHz]
- タテ軸：基板の損失[dB/m]。タテ軸の一番上は0dBで、損失が全くないことを示しています。タテ軸が下にいくほど、損失は大きくなります。
上のグラフのように、「FR-4」と「低伝送損失材料」ともに、プリント基板が持つ損失は、周波数が高くなるほど大きくなっていくのがわかります。（ヨコ軸が右方向へいくほど、タテ軸は下方向へいく、右肩下がり）
しかし、「低伝送損失材料」の方が同じ周波数でも、「FR-4」より損失が少ないことが読み取れます。これは、「低伝送損失材料」の方が電気をより効率良く伝えられる、ということです。
出典：パナソニック株式会社 ICTインフラ機器用 多層基板材料「MEGTRON」シリーズ）
>> https://industrial.panasonic.com/jp/products/pt/megtron
FR-4・低伝送損失材料の使い分け
ここでは、「FR-4」と「低伝送損失材料」をどう使い分けるかについて説明します。
2つの材料の用途は、ざっくり以下のとおりです。
| 基板材料 | 主な用途 |
|---|---|
| FR-4 | 周波数の低い、一般的な回路は、価格の安い「FR-4」を使えばOK。 |
| 低伝送損失 | 周波数の高い、高周波回路（GHzオーダー）。通信品質を優先する場合は、「低伝送損失材料」を使うのがおすすめ。 |
価格で比べると、一般的には流通量から「FR-4」の方が安価です。
一方、「低伝送損失材料」はコストアップになりますが、基板の損失が小さいので、高周波回路では安定した通信ができる基板を作れます。
「FR-4」「低伝送損失」のどっちがいいの？ というよりは、きちんと動く基板を作るには、「プリント基板で扱う信号の周波数帯によって、基板材料を使い分ける。」ってことが大切。適材適所です。
でも、「完全な高周波回路ではないけど、一般的な電子機器よりはちょっと高めの信号周波数の回路。こんな場合は、どっちの材料がいいの？」って思いませんか？
以下で説明します。
FR-4か？ 低伝送損失材料か？ どう判断するか？
「どっちの基板材料を使えばいいか？」、その判断の目安は、各部品の「しきい値」を満たせるかどうかです。
基板のコスト削減で、「安いFR-4で作りたい」って思いはありますよね？
FR-4で部品のしきい値を満たせるなら、FR-4で基板を作った方がコストメリットがあります。これはあきらかですよね。
でも、「FR-4で、ICのしきい値（スレッショルド電圧）を満たせるかなんで、実際に基板を作って評価しないとわからないのでは？」
こんな疑問ありませんか？
基板を作る前に「しきい値」を満たしているかを検証する方法があります。
「プリント基板のシミュレーション」です
プリント基板のシミュレーション
基板材料の違いで、信号波形がどのように違いがあるかは、「プリント基板の波形シミュレーション」をすれば基板を作る前に確認できます。
基板のシミュレーションをすることで、
- 「受信ICのしきい値を満たしているか？」
- 「アイパターンがマスクにかかってないか？」
- 「意図したとおりに増幅されているか？」
など、基板試作の前に確認できるので、トラブルの少ない基板を作れます。
「プリント基板のシミュレーション」は、配線パターンを「電磁界解析」して、回路部品の特性だけでなく、配線パターンの寄生インダクタンス・寄生容量成分も含めて行うシミュレーションです。
「LTSpice」を使った回路シミュレーションの波形って、めちゃキレイですよね。これは、理想的な部品の特性を前提としたシミュレーションだからです。
一方、「プリント基板のシミュレーション」は、「寄生成分」を含んでシミュレーションするので、オシロで測定したような実機に近い波形を得ることができます。
以下のリンクでは、「プリント基板のシミュレーション」をするメリット・デメリットの解説や、シミュレーターソフトの製品紹介をしています。
「プリント基板のシミュレーションは、初めてなんだけど・・・。」という方は、下記を読むと「プリント基板のシミュレーション」をイメージできると思います。
>> 【回路設計者向け】プリント基板のシミュレーションで「できること」・「基板設計会社への頼み方」
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【回路設計者向け】プリント基板のシミュレーションでできること・基板設計会社への頼み方
続きを見る
【事例】高速シリアル伝送回路（PCI Express、USBなど）
基板材料の使い分けについて、「高速デジタル伝送回路」を例に説明します。
PCIeやUSBなどの高速デジタル伝送では、プリント基板上で信号波形がなまる前提で、信号波形をICの中に入っている「イコライザ」を使って補正します。
下表は、信号の転送レートとイコライザ有無の条件で、基板の材料として、「FR-4」か「低伝送損失」、どちらが使えそうかをまとめたものです。
| データ転送レート | イコライザの有無 | 基板材料 | 説明 |
|---|---|---|---|
| 低周波～5Gbps（2.5GHz） | － | FR-4 | イコライザは有りでもなしでも、この周波数帯では、FR-4を使って問題なし。 |
| 5Gbps～10bps （2.5GHz～5GHz） | あり | FR-4 | 「プリント基板のシミュレーション」で事前確認するのがおすすめ。 PCIe Gen2, USB3.x Gen1相当。 イコライザを使えば、FR-4でも力業（チカラワザ）でアイが開きそう。 |
| 同上 | なし | 低伝送損失 | 「プリント基板のシミュレーション」で事前確認するのがおすすめ。 ICにイコライザ機能がない場合は、低伝送損失材料を使う方が安心。 |
| 10bps（5GHz）以上 | あり | 低伝送損失 | 「プリント基板のシミュレーション」で事前確認するのがおすすめ。 PCIe Gen4、USB3.x Gen2相当。 |
| 同上 | なし | 低伝送損失 | 「プリント基板のシミュレーション」で事前確認するのがおすすめ。 基板パターン設計が超重要！難易度高！ |
わたしの経験上、転送レートが5Gbpsを超える回路では、「プリント基板のシミュレーション」は必須です。
基板作る前に回路設計段階で、シミュレーションで波形品質に問題がないかを確認する方が絶対にいいです。
なぜなら、「でき上がった基板が動かない！」ってトラブルを事前に防げるからです。
【プリント基板 低伝送損失 材料メーカー【7社】
「低伝送損失材料メーカー」の一覧をまとめました。
| 会社名（本社） | 製品名 | 素材 | 比誘電率(Dk) | 誘電正接(Df) |
| パナソニック（大阪） | 高熱伝導率・低伝送損失ハロゲンフリー多層基板材料 | R-5575 | PPE | 3.6@10GHz | 0.005@10GHz |
| パナソニック（大阪） | 超低伝送損失・高耐熱多層基板材料 MEGTRON6 | R-5775 | PPE | 3.4@12GHz | 0.004@12GHz |
| 利昌工業（大阪） | CS-3376B | PPE | 3.4@1GHz | 0.004@1GHz |
| 利昌工業（大阪） | CS-3379 | PPE | 3.0@1GHz | 0.002@1GHz |
| 昭和電工マテリアルズ・日立化成（東京） | LightWaveシリーズ MCL-LW-990 | 熱硬化性樹脂 | 2.95@10GHz | 0.0013@10GHz |
| 信越化学工業（東京） | SLKシリーズ | 熱硬化性樹脂 | 2.2@10GHz | 0.003@10GHz |
| ロジャース（アメリカ） | RO4000シリーズ | RO4003C | 熱硬化性樹脂 | 3.38 | 0.0027@10GHz |
| 日本ピラー工業（大阪） | PILLAR PC-CLAD（F300AS,F260AS） | PTFE | 2.7@10GHz | 0.0011@10GH |
| 中興化成工業（東京） | CGP-500A | PTFE | 2.6 | 0.0025 |
| 中興化成工業（東京） | CGN-500 | PTFE | 2.3 | 0.0012 |
| 日本メクトロン（東京） | 高速伝送用FPC LCP（液晶ポリマー） | - | 2.9 | 0.002 |
まとめ：高速通信用のプリント基板材料
この記事では、高周波回路でおさえておきたいプリント基板の2つの損失（抵抗損失・誘電損失）と、高周波・高速デジタル伝送用のプリント基板材料『低伝送損失材料』を紹介しました。
高周波回路で「FR-4」を使うと「損失」が大きいため、高周波信号が減衰し通信トラブルになることがあります。
損失の小さい『低伝送損失材料』を使うことで、信号が減衰しにくくなり安定した通信ができます。
また、基板材料の違いで、波形がどう変わるのか？の確認は、「プリント基板のシミュレーション」が有効な手段です。
基板作成前に波形確認ができるので実機トラブルの少ない基板を作れます。開発期間の短縮にもつながるので、基板設計フローに取り入れてはいかがでしょうか。
ギガビットの高速信号の回路設計についてもっと知りたい方にオススメの本を紹介しています。以下のリンクもぜひご覧ください。
>>【高速デジタル信号】回路設計・基板パターン設計の第一歩！初心者にピッタリの本3冊
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【高速デジタル信号】回路設計・基板パターン設計の第一歩！初心者にピッタリの本3冊
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