フレックスリジッドPCBにおけるインピーダンス設計の考慮事項

電子製品が急速に発展するにつれて、市場ではフレックスリジッドPCB（プリント配線板）およびインピーダンス制御PCBに対する要求がますます高まり、それと同時にそれらに対する要求も一段と厳しくなっている。インピーダンス要求を伴うフレックスリジッドPCBが直面している主な問題は、実測値と設計値との間に20Ωを超える大きな差が生じることであり、その結果、設計補償が成立せず、製造の管理が困難になる点にある。本稿では主に、PCB設計の観点から厳格なインピーダンス制御精度をどのように満たすかについて論じており、PCB製造業界に従事する技術者にとって有益な内容となることを期待している。

インピーダンス制御解析

インピーダンスに影響を与える主な要素には、誘電率、媒体の厚さ、配線幅、および銅の厚さが含まれます。

断面解析に基づくと、実際の断面データをモジュールに適用した場合、インピーダンス計によって得られた実測値と計算値の差は14Ωから33Ωの範囲にあり、その結果を以下の表にまとめる。

上記に示した差異に基づくと、理論値と実測値の差が大きすぎるのは、以下の理由による可能性がある。

エンジニアリング設計の際、アクセスがソフトウェアパラメータに誤って置き換えられた。

インピーダンスおよび断面データに影響を与える要因に従うと、おそらく誘電率のみが不正確なアクセスを引き起こす要因となる。誘電率の複合的な概念に基づけば、誘電率はPCB基板材料は、基板材料中の誘電体材料の誘電率を総合的に表したものであり、おおよそ、誘電体材料中の樹脂の誘電率と補強材の誘電率の加重和として示すことができます。しかし、フレキシブル材料の場合は、接着剤と PI（ポリイミド）で構成されています。そのため、フレキシブル材料の誘電率は、接着剤と PI の両方の総合的な誘電率となります。

測定モジュールの設計が、PCB に関して正しくありません

インピーダンス設計プロセス上、インピーダンスラインの測定には通常、伝送線路の設計とリファレンスプレーンが関係し、リファレンスプレーンの銅箔エッジとインピーダンスラインとの間に一定の距離を確保する必要があります。本件の状況に関しては、その距離がわずか0.5mmしかなく、短すぎる可能性があり、その結果、このリファレンスプレーンの効果がまったく無視されてしまうおそれがあります。

・実験計画

ステップ1：エンジニアリングデータは、それぞれを検証するために設計されている：
i. 測定モジュールに伝送用銅箔を追加した場合と追加しない場合におけるインピーダンスへの影響
ii. 測定モジュールにおいて、銅箔端部とインピーダンスラインとの距離がインピーダンスに与える影響は何ですか。設計端部とインピーダンスラインとの水平方向の距離は、それぞれ 0.5mm および 4.5mm です。
iii. 測定モジュールの設計は、グリッド基準面および銅箔基準面がインピーダンスに与える影響を決定する。

ステップ2：フレキシブル基板を製造し、フレキシブル基板のインピーダンスを測定する。

ステップ3：断面アクセスは、誘電体材料の総合誘電率に基づいて算出されるモジュール計算の理論インピーダンスに置き換えられ、アクセスによって生じる誤差を排除できるようにする。

ステップ4：データ比較を通じて結論を導き出すことができる：パラメータの取得方法および測定モジュールの設計規定。

・実験結果

1)伝送用銅箔を計測モジュールに追加した場合と追加しない場合の実験計画に従い、元の計測データからは、インピーダンスが伝送用銅箔の有無によってごくわずかな差しか生じないことが示されています。したがって、伝送用銅箔を追加しても追加しなくても、インピーダンスには影響が及ばないと結論付けることができます。

2)基準面の銅箔エッジとインピーダンスラインとの距離に基づいて設計された実験計画に従うと、インピーダンスの差は非常に小さいため、基準面の銅箔エッジとインピーダンスラインとの距離はインピーダンスに影響を及ぼさないと結論付けることができる。

3)測定モジュールのリファレンスプレーン用に設計されたグリッドおよび銅箔モジュールに基づいて立案された実験計画に従うと、測定モジュールのリファレンスプレーンが銅箔やグリッドとして設計された場合、インピーダンスが大きく影響を受けることが結論づけられる。

4)異なる配線幅に関する実験計画に従い、さまざまなサイズのグリッドおよび銅箔モジュールを用いて検討した結果、グリッドをリファレンスプレーンとして設計した場合、それは銅の残存率と関連していることが分かる。銅の残存率が高いほど、銅箔との間に生じる差異は小さくなり、銅の残存率が低いほど、銅箔との間に生じる差異は大きくなる。したがって、グリッドをリファレンスプレーンとして用いる場合、インピーダンスラインの位置と整合するように、リファレンス部位には銅をコーティングする必要がある。

5)実際の設計に基づく測定モジュールに従い、理論インピーダンスを算出するために、断面情報をモジュールに代入し、その後、実測インピーダンスと比較する。フレキシブル材料は接着剤とPIで構成されているため、フレキシブル材料の比誘電率は両構成要素の総合的な比誘電率とすべきであり、あるいはインピーダンス計算用ソフトウェアを適用することで単一の比誘電率を取得することもできる。先行する実験結果に基づくと、PIの比誘電率は2.8であり、接着剤の比誘電率は3.5であると結論づけられる。その結果、これらのデータをソフトウェアに代入して計算を行うことで、比誘電率の精度が検証される。

フレックスリジッドPCB設計者のインピーダンス設計に関する考慮事項

考慮事項#1：リファレンスプレーンは、グリッドリファレンスプレーンおよび銅箔リファレンスプレーンでなければならない。

上記の実験結果に基づくと、銅箔リファレンスプレーンに基づいたエンジニアリング設計は、フレックスリジッドPCBのインピーダンス要件を満たすことができると結論づけられる。グリッドリファレンスプレーンを設計する場合、グリッドが大きいほど、銅の最小残存率におけるグリッドインピーダンスと銅箔インピーダンスとの間に生じる差は大きくなり、グリッドが小さいほど、銅の最大残存率におけるグリッドインピーダンスと銅箔インピーダンスとの間に生じる差は小さくなる。

結論として、リファレンスプレーンとしてのグリッド設計はグリッドサイズ、すなわち銅の残存率と密接に関係している。銅の残存率が高いほど、銅箔インピーダンスおよび理論設計値との誤差は小さくなる。銅の残存率が低いほど、銅箔インピーダンスおよび理論設計値との誤差は大きくなる。その結果、グリッドをリファレンスプレーンとして選択する場合、対応するインピーダンスラインの位置に合わせて、リファレンスプレーン上に銅をコーティングする必要がある。

考慮事項#2：フレックスリジッドPCBのインピーダンスは、インピーダンス計算ソフトウェアの機能追加に応じて設計する必要があります。

通常のインピーダンス計算ソフトウェアと比較して、付加機能を備えたインピーダンス計算ソフトウェアは、各媒質層に対するアクセス取得機能を有しており、アクセス取得の点でより高い精度で動作する。また、実際の状況をシミュレートしやすく、工学設計への適用もより便利である。

考慮事項#3：各単層の誘電率はフレックスリジッド基板上で取得されます。

実機スケールの実験に基づき、PI の誘電率は 2.8、接着剤の誘電率は 3.5 であることが確認されており、これはフレックスリジッド基板設計者の参考値として利用できる。付加機能を備えたインピーダンス計算ソフトウェアを用いた理論データの算出により、フレックスリジッド PCB 顧客の要求を満たすことが可能である。

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