PCBの特性インピーダンスに影響を与える要素とその対策

小型化、デジタル化、高周波化および多機能化といった開発要件に対応するため、電子機器内でインターコネクトデバイスとして用いられる PCB（プリント基板）上の金属配線は、電流の通断を決定するだけでなく、信号伝送線としての役割も果たす。言い換えれば、高周波信号および高速デジタル信号を伝送する役割を担う PCB に対して実施される電気的試験は、一方では回路の導通、断線および短絡を確認しなければならない。また他方では、特性インピーダンスが規定範囲を決して逸脱しないことを確認しなければならない。要するに、これら両方の要件が満たされない限り、回路基板が要求に適合することはない。

PCB が提供する回路性能は、信号伝送の過程で反射が発生しないこと、信号が一体性を保つこと、インピーダンス整合によって伝送損失が低減されることを保証しなければなりません。その結果、伝送信号は干渉やノイズなしに、完全かつ信頼性が高く、正確に伝送することができます。本稿では、マイクロストリップ構造を有する多層基板の特性インピーダンス制御に焦点を当てます。

表面マイクロストリップと特性インピーダンス

高い特性インピーダンスを有する表面マイクロストリップは、PCB製造に広く用いられている。信号層は外層としてインピーダンスを制御するように設定され、信号層と隣接する基準面を分離するために絶縁材料が使用される。この構造は、下図で明確に確認できる。

特性インピーダンスは、次の式によって求めることができます。。

その中でZ₀特性インピーダンスを指します。ε_r絶縁材料の誘電率へhトレースと基準面の間の絶縁材料の厚さに対してｗトレースの幅に対してｔ配線の太さを指します。下図は各パラメータの意味を明確に示しています。

上記の式に基づくと、特性インピーダンスに影響を与える要素には次のものが含まれます。
a. 絶縁材料の誘電率 (ε_r);
b. 絶縁材料の厚さ (h);
c. 配線幅 (ｗ);
d. 配線の厚さ (t).

さらに、特性インピーダンスは基板材料（CCL 材料）と密接に関連していると結論づけることができる。したがって、多くの点を考慮に入れなければならない。基板材料の選定。

誘電率とその影響

材料の誘電率は、周波数が1MHz未満の場合、材料メーカーによって測定されます。同じ種類の材料であっても、樹脂含有量の違いにより、異なるメーカーが製造したものでは値が異なる場合があります。エポキシガラスクロスを例に取ると、エポキシガラスクロスの誘電率と周波数の関係は、次の図のようにまとめることができます。

一般的に、周波数が高くなるにつれて誘電率は低下します。したがって、絶縁材料の誘電率は、その材料の動作周波数に応じて決定すべきであり、平均値であれば通常の要求を満たすことができます。信号の伝送速度は誘電率が高くなると低下するため、高い信号伝送速度が求められる場合には、誘電率を低く抑える必要があります。さらに、高い伝送速度を得るためには高い特性インピーダンスを確保しなければならず、そのためには低誘電率の材料に依存することになります。

配線の幅と厚み

伝送線路幅は、特性インピーダンスに影響を与える最も重要な要素の一つであり、下記の図4は特性インピーダンスと伝送線路幅の関係を示しています。

図4に基づくと、ライン幅が0.025mm変化すると、その後インピーダンスは5～6Ω変化すると結論づけることができる。 しかし実際のPCB製造において、インピーダンス制御用の信号層として幅公差18μmの銅箔を選択した場合、許容されるライン幅公差は±0.015mmである。幅公差35μmの銅箔を選択した場合、許容されるライン幅公差は±0.003mmである。 まとめると、ライン幅の変化はインピーダンスの大きな変動を引き起こす。ライン幅は、複数の設計要件に基づいて設計者によって決定され、電流容量および温度上昇の要求を満たすだけでなく、インピーダンスを所望の値に導く必要がある。したがって、ライン幅は設計要件と整合し、かつ許容公差内に収まるように確保しなければならない。

配線幅は、必要な電流容量と許容される温度上昇に応じて決定する必要があります。製造において、めっき厚さは一般的に平均25μmです。配線厚さは、銅箔厚さとめっき厚さの合計に等しくなります。電解めっきを行う前に、配線表面を洗浄して汚染物質を除去しなければならない点に注意してください。そうしないと、配線厚さに不均一が生じる可能性があり、その結果、特性インピーダンスに影響を及ぼします。

絶縁材料の厚さ

上で紹介した特性インピーダンスを求める式に基づくと、特性インピーダンスは絶縁材料の厚さの自然対数に正比例することが結論づけられる（h)。その後、「h」が大きくなればなるほど、「Z₀したがって、絶縁材料の厚さも、特性インピーダンスを決定する重要な要素となる。配線幅と材料の誘電率は製造前に決定され、配線厚は一定値とみなすことができるため、積層厚さを制御することによって特性インピーダンスを制御することが主な方法となる。配線厚と特性インピーダンスの関係は、次の図にまとめることができる。

この図から、厚さが0.025mm増加すると、特性インピーダンスが5～8Ω変化することが示される。しかし、PCB製造プロセスにおいては、各層間絶縁材の厚さの変化によって、大きな変動が生じる可能性がある。実際の製造では、絶縁材料として異なる種類のプリプレグが選択され、その厚さはプリプレグの枚数によって決定される。マイクロストリップを例に取ると、図3を用いて、対応する動作周波数に基づき絶縁材料の比誘電率を求め、その後に特性インピーダンスを算出することができる。その後、配線幅と算出された特性インピーダンスの値に従って、図4を用いて絶縁材料の厚さを求め、それに基づき、CCLおよび銅箔の厚さからプリプレグの種類と枚数を推定することができる。

上記の図5に従うと、同一の厚さの絶縁材料を用いた場合、マイクロストリップ構造はストリップライン構造よりも高い特性インピーダンスを有することが示されている。その結果として、マイクロストリップ構造は高周波および高速デジタル信号伝送において優先的に用いられる。さらに、絶縁材料の厚みが増すにつれて特性インピーダンスも上昇する。したがって、特性インピーダンスに厳しい要求がある高周波回路では、CCL の絶縁材料の厚さは通常最大でも 10% 程度という厳しい公差で管理しなければならない。しかし、多層基板においては、絶縁材料の厚さも製造パラメータの一つであるため、同様に厳密に管理する必要がある。

結論として、配線幅、配線厚さ、誘電率、および絶縁材料の厚さがわずかに変化するだけでも、特性インピーダンスの変化を引き起こす可能性があります。これらの要素以外にも、特性インピーダンスはさらに多くの要素と密接に関連しています。したがって、製造業者は特性インピーダンスの変化を引き起こす要素を十分に把握し、特性インピーダンスが許容範囲内に保たれるよう製造パラメータを調整することが極めて重要です。

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