高周波高密度ミニドローン用PCB

2022年2月、ウクライナとロシアの戦争が本格的に始まる。戦争中、高度なミニドローンがウクライナを受動的な状態に保つ。戦争がなくとも、テクノロジーの力が国家を不安定にすることを知っているからです。中国、さらには世界で最高の飛行製品であるDJIドローンは、最先端技術であるSMT高密度相互接続PCBA組立技術を用いて生産されています。今回、Phase OneはDJIミニドローンの分析を通じて、高周波・高密度回路基板の優位性を説明します。

ミニドローンの飛行機能向上の核心 - 高周波PCBA

私たちの生活の中で最もよく使われている空を飛ぶための装置は、大型旅客機とドローンです。どちらも空を飛ぶ小道具ではありますが、飛行の原理には天と地ほどの差があります。

大型航空機の飛行原理

飛行機が空を飛べるのは圧力のおかげであり、回路基板とは関係ない。ベルヌーイの原理：圧力は流体の流れに影響され、流れが大きいと圧力は低くなる、による。どうしても理解できない場合は、科学的な実験をしてみましょう。2枚のA4シートの間に空気を吹き込むと、面白い科学現象が見られます。A4サイズのシートは分離せず、くっつくのです。

飛行機の外観は、機体上部の流速が下部より大きくなるような特殊な物理構造を用いている。飛行機が離陸するときは、移動速度を速くすることで、機体の上下に圧力差を発生させ、機体に上昇力を与える。着陸するときは、飛行速度を小さくして、機体の上下の圧力差が小さくなるようにします。圧力差が重力より小さくなると、飛行機は着陸します。

ミニドローンの原理

ドローンの飛行原理は、大型航空機とは大きく異なります。ドローンは翼で空気を押し出し、空気と反応させることで上昇・下降の動作を実現します。ドローンの内部構造では、飛行制御システムが頭脳の役割を果たし、さまざまな機能を提供しています。飛行制御システムは、どのようにして機能の多様性、信号処理の適時性、正確性を実現しているのでしょうか。

制御系では、飛行制御システムは、高密度で相互接続された高周波PCBAによって、その強力な機能を実現しています。電子機器の機能は、制御チップによって提供されることが分かっています。ミニ飛行機では、この種のデバイスを正しく動作させるために、より強力で、より安定した、より多くのチップが必要です。HDI PCBAはそれを可能にします。HDI PCBAは、マイクロブラインドホールと埋設穴技術により、回路基板上の回路レイアウトをよりコンパクトにし、チップをインストールするためのスペースを設計に持たせています。

信号伝送の完全性のために、高周波PCBAは保証を提供します。情報化時代の到来により、完全かつ効率的な情報伝達が極めて重要になっていることはご存じのとおりです。情報伝達の機能に注目が集まる中、高周波PCBAは時代の主流になろうとしている。ミニチュア航空機の場合、機械的な動作は、センサーを通して飛行制御システムに姿勢データを送信し、制御チップがそのデータを処理して命令を出し、最後にアクチュエーターが動作を完了させるというものである。このような早く完了させる必要のある指示には、たった高周波プリント基板は、信号伝送の完全性と適時性を実現することができます。

ミニドローンの飛行原理を分析することで、ドローンが飛行中に遭遇するいくつかの技術的な問題を見つけるのは難しいことではありません。

コマンド情報伝達のスピードと完全性
高速・高効率な情報処理システム
運動エネルギーシステムにおけるエネルギー供給の安定性

以上の3つの要求に対して、通常の単層基板や2層基板では対応できず、高密度高周波多層回路基板で実現する必要がある。

高周波回路基板の電池設計変更

ミニドローンに搭載されたバッテリーは、他の機能ユニットと相互作用しています。

電池から発生する不要な信号は、他のさまざまな機能ユニットに容易に結合される
電池内の不要な信号は、電池の共通インピーダンスを通して他の電池にカップリングされます。

FS Technologyの高周波PCBA電池設計への対応。

バッテリー基板電流のニーズに応じて、電源ラインの幅を調整し、閉ループ回路の抵抗を減らし、電源ラインの方向をデータ伝送の方向と一致させる。
高周波用多層プリント基板は、電源プレーンとグランドプレーンを使用してトレース長を短縮している
高周波基板と一般電源の使用による回路間距離の短縮化
低電流密度環境下で動作する高周波基板用ダイオード
高電圧バッテリーを敏感な回路から分離し、電磁界シールド対策を行う。
RF帯域でも低出力インピーダンスを維持する動作用バッテリー

高密度プリント基板による省スペース化

機能を落とさずにミニドローンを小型化するためには、HDI PCBとHF PCBAという2つの高価な回路基板を使用する必要があります。HDI PCBAとHF PCBAを比較すると、HF PCBAの役割は信号伝送に多く反映されています。HDI PCBAは、ドローンのサイズをより小さくすることができます。

HDI（High-density Interconnection：高密度配線）は、その生産技術として PCBAHDIとは、マイクロブラインドビアやバウンデッドビア技術により、回路配線を高密度化した回路基板のことである。部品サイズの縮小や電子機器の小型化が進む中、プリント配線板メーカーがこの社会現象に対応するために登場したのがHDI設計です。

HDI技術は、より完全な機能、より小さなスペース、より信頼性の高い回路構造を提供する、小型ドローンの創造者であると言えます。信号伝送の速度と完全性を確保するため、SMTとブラインドホール技術を使用して電子部品間の距離を縮め、信号の反射弧を短くする。

FSテクノロジーでは、ミニドローンにHDIプリント基板を使用するメリットをまとめています。

回路の高密度化を実現
接続パッドの高密度化
より微細なマークとギャップ
ビア、キャプチャーパッドの小型化
アスペクト比が小さい（1：1）
マイクロビアの精密レーザードリル加工
リード・トレースインダクタンスの低減
ノイズや干渉に最適化された

高周波回路基板で安定した信号伝送を実現

理論的には、誘電率が小さいほど、回路基板の信号伝送機能は向上する。また、誘電率が小さいほど信号が安定し、その逆も然りである。高周波基板の最大の特徴は、誘電率が小さくて安定していることです。一般に、高周波基板の良し悪しは、その基板自身のDK値とDF値で判断します。この2つの数値が小さいほど良いということになります。また、高周波回路の中に入れて、DK値やDF値の変化を観察することもできます。

現在、ミニドローンに高周波基板を使用することが、ドローン業界の開発トレンドになっています。FS Technologyは、この基板をこれらの飛行製品に使用することで、以下のような機能を提供できると考えています。

ミニドローンの情報伝達を効率化する
小型ドローンによる迅速なコマンド実行への情報伝達を可能にする
航空機の耐久性を向上させ、航空機の寿命を延ばす

以上、ミニドローンPCBについてFS Technologyが理解したことをお伝えしました。もし私たちの記事が役に立つと思ったなら、FS Techのブログでもっと面白い技術記事を見つけることができます。