PTFE: 高速 PCB が再評価されています

AI サーバーの高速信号はますます高速になっています。以前は、PCB 設計は主に層の数、トレース幅、インピーダンス、銅箔に焦点を当てていました。 224G SerDes 以降の登場により、基板材料の選択も重要になってきました。 PCB 内の信号伝送速度が高くなるほど、材料自体によって引き起こされる信号損失を無視することが難しくなります。このような背景から、PTFEが再び注目を集めています。

I. PTFE が登場するのはなぜですか?

PTFE、またはポリテトラフルオロエチレンは、一般にブランド名テフロンで知られており、焦げ付き防止調理器具のコーティングとして使用されます。低誘電率、低誘電損失、低吸水性、高い化学的安定性など、いくつかの優れた材料特性を備えています。

PCB 内の高速信号は電磁場を生成し、銅箔と誘電体の間に電磁場が分布します。したがって、基板樹脂や補強材も誘電損失に寄与します。信号周波数が高くなるほど、誘電損失は顕著になります。従来の樹脂システムでは、AIスイッチ、高速バックプレーン、光モジュール内のサブボードなどのハイエンドAIサーバー製品の需要を満たすことができなくなり、低損失材料の重要性が高まっています。

II. PTFEはどのような役割を果たしますか?

PTFE は誘電損失を低減できるため、高速信号が長距離および高周波数にわたってより良好なアイ ダイアグラムとリンク マージンを維持できるようになります。 M10 などの低損失高速基板の場合、PTFE とその複合材料は、もはや RF ボードでの使用に限定されず、高速デジタル システム用の実行可能な材料オプションとなっています。万能な材料ではありません。ボード全体を交換する必要がなく、高速信号が最も敏感な領域での使用に最適です。

高速チャネルの場合、PTFE ベースの樹脂システムは損失を低減するため、信号が PCB、コネクタ、ビア、銅箔を通過した後、受信側に残るマージンが大きくなります。

Ⅲ． PTFE はどのような問題を引き起こしますか?

PTFE の主な問題は、加工が難しいことです。

まず、表面エネルギーが低いため、銅に接着したり、はんだマスクや接着剤システムと安定した接着を形成したりすることが困難です (家にある焦げ付き防止の鍋を思い出してください)。標準的なエポキシ樹脂とガラス繊維布システムのプロセスは十分に確立されていますが、PTFE は特殊な表面処理、銅箔処理、およびラミネートプロセスを必要とします。

第二に、比較的柔らかく、熱膨張率が高いです。純粋な PTFE は十分な機械的安定性に欠けており、複雑な多層基板のすべての構造要件を直接満たすことはできません。したがって、高周波 PTFE 材料には、剛性、熱膨張、寸法安定性を向上させるために、ガラスマイクロファイバー、セラミック粉末、マイクロシリカなどのフィラーが組み込まれることがよくあります。

第三に、従来の方法を使用したレーザー穴あけには適していません。 PTFE は特定の紫外線レーザーの吸収が悪く、また素材にはガラス、セラミック、銅箔などのさまざまな成分が含まれている可能性があるため、レーザーアブレーションの挙動に一貫性がなく、残留接着剤が残る可能性があり、穴壁の洗浄、活性化、金属化が困難になります。

第 4 に、ラミネート加工には大きな課題があります。 AIサーバーに使用される高速ボードは、単一の材料で作られることはほとんどありません。高速層は低損失材料を使用することができますが、標準層は依然として成熟した樹脂システムに依存している可能性があります。異なる材料を積層すると、反り、寸法変化、層間接着の問題、ビアの信頼性の問題が発生する可能性があります。

IV.これらの課題はどのような機会をもたらすでしょうか?

PTFE がもたらす可能性は樹脂そのものを超えて広がります。

フィラーのアップグレードが行われます。セラミック粉末、マイクロシリカ、低損失フィラーは、熱膨張を低減し、Dk を調整し、剛性と寸法安定性を向上させることができます。今後のハイエンド素材の競争は、樹脂の種類だけでなく、配合力や分散力にも左右されることになる。

PCB 処理能力はさらにアップグレードする必要があります。 PTFE の同時成形、ビア壁処理、プラズマ活性化、穴あけ、銅メッキ、インピーダンス制御、反り制御はすべて、ハイエンド PCB メーカーにとって主要な参入障壁となるでしょう。

全体として、信号速度が従来の材料システムの限界に達しているため、高速 PCB には PTFE が選択されています。PTFE は損失が低い一方で、材料とプロセスに課題もあり、まさにこれらの課題の中にチャンスが眠っています。

PCB 内の PTFE: 低い信号損失、高い処理難易度

AI サーバー、800G および 1.6T 光モジュール、ミリ波レーダー、衛星通信はすべて、PCB の信号伝送周波数に対してより高い要求を課しています。周波数が高くなるほど、回路基板での信号損失が大きくなります。現在、標準的なエポキシおよび炭化水素樹脂基板の性能は徐々に PTFE の性能に近づきつつあります。その結果、PTFE はより多くの高周波 PCB で使用されるようになりました。

I. PTFE が高周波信号の伝送に適している理由

PTFE (ポリテトラフルオロエチレン) は炭素原子で構成される分子骨格を持ち、各炭素原子には 2 つのフッ素原子が結合しています。その基本構造は、-CF2-CF2-で表すことができます。

炭素とフッ素の結合は非常に高い結合エネルギーを持ち、フッ素原子が炭素鎖を取り囲んでいるため、外部からの水、溶剤、化学薬品が浸透しにくくなっています。その結果、PTFEは高温耐性、低吸水性、耐食性、優れた電気絶縁性を発揮します。炭素とフッ素の結合は極性ですが、PTFE 分子鎖の空間的配置は比較的対称的であるため、複数の結合の双極子効果が互いに打ち消し合います。フッ素原子は強い電子結合力を持っているため、外部電場によって大きな分極変化を引き起こすことが困難になります。高周波電界が繰り返し切り替わるとき、PTFE は最小限のエネルギーを吸収し、低い誘電損失を示します。

誘電率が低いということは、特定のインピーダンスに対して回路トレースを広くすることができ、製造公差の制御が比較的容易であることを意味します。誘電損失が低いため、信号の伝送距離が長くなり、挿入損失や発熱も抑えられます。誘電特性は周波数や湿度によってほとんど変化しないため、高速チャネルでの信号伝送中の位相の一貫性も向上します。

II. PCB の PTFE は純粋な樹脂の単層ではありません

純粋な PTFE は比較的柔らかく、弾性率はわずか約 400 ～ 800 MPa です。クリープやコールドフローが発生しやすいため、多層 PCB の唯一の機械構造として機能することが困難になります。いわゆる PTFE クラッド銅張積層板は、通常は複合材料です。PTFE は絶縁性と低損失特性を提供します。ガラス繊維は強度と寸法安定性を提供します。セラミック粒子は誘電率、熱膨張係数、熱伝導率を調整します。銅箔は上下両面にラミネートされています。

したがって、PTFE クラッド銅張積層板市場における競争は、樹脂の純度を超えて広がっています。ガラス繊維の形態、セラミック粒子の粒径、フィラーの分布、銅箔の粗さ、および積層プロセスはすべて、損失、インピーダンス、および寸法安定性に影響を与えます。

Ⅲ． PTFE ベースの PCB の処理における課題は何ですか?

課題は穴を開けることにあります。

機械的穴あけを使用する場合、ドリルビットの高速回転によって発生する摩擦熱により、穴壁付近の PTFE が軟化します。従来の脆い樹脂とは異なり、PTFE はきれいなチップを形成しません。その代わり、ドリルビットによって容易に引き伸ばされ、穴の壁や内側の銅層に汚れがつき、バリ、繊維化、樹脂残留物が生じます。これらの残留物により、銅の内層が後続の銅めっき層から分離され、スルーホール接続の障害が発生する可能性があります。ガラス繊維とセラミックを PCB に追加すると、基板の剛性が増加します。ただし、これらの硬質粒子はドリルビットの摩耗を促進し、穴壁の粗さがさらに増加し​​ます。したがって、PTFE ボードでは通常、ドリルビットの寿命、回転速度、送り速度、ラミネートの厚さ、および切りくずの除去に関してより厳密な制御が必要です。

化学エッチングを使用する場合、PTFE の低い表面エネルギーにより水、接着剤、汚染物質の付着が防止されますが、電気めっきされた銅が穴の壁に付着するのも困難になります。さらに、フッ素含有化合物は他の化学薬品に比べて反応性が低いです。

レーザー加工にはさまざまな課題があります。 PTFE の炭素とフッ素の結合は安定しており、純粋な PTFE は一般的な紫外線レーザー波長範囲の吸収が低いため、従来のレーザーで高品質のエッチングを実現することが困難です。 CO2 レーザーを使用する場合、熱効果を利用して PTFE の一部を除去できます。ただし、レーザーの吸収率と除去速度は、樹脂、銅、ガラス繊維、セラミックによって異なります。エネルギーが低すぎると、レーザーは材料を貫通できません。高すぎると、穴の壁の溶解、残留物、円錐形の穴、および層間の損傷が発生する可能性があります。

高周波 PCB への PTFE の組み込みには、単に樹脂の需要が増加するだけではありません。上流セグメントには、高純度 PTFE、極細ガラス繊維、低損失セラミック粉末、低粗さの銅箔、および特殊な接合フィルムが含まれます。中流セグメントには、フィラー分散、カレンダー加工、焼結、積層、銅クラッディングが含まれます。また、PCB 製造プロセスには、特殊な穴あけ、プラズマ活性化、レーザー処理、ビア壁検査、インピーダンス テストなどの追加機能が必要です。 PTFE によってもたらされる電気的利点は、最終的には材料の配合と PCB 処理の組み合わせによって実現されます。