現在のPCB設計において、特に信号インテグリティは重大な懸念事項となっている高速・高周波回路データレートが高くなるほど、信号はインピーダンス不整合、電磁干渉（EMI）、およびクロストークの影響に対してより敏感になります。これらの問題は、慎重に設計されていない限り、反射や信号の歪み、さらには基板の故障を引き起こす可能性があります。これを克服するために、制御インピーダンス伝送線路が使用され、設計者が最も一般的に用いる構造はマイクロストリップとストリップラインです。信頼性の高い高性能PCBを設計するには、それらの違いを理解することが重要です。
マイクロストリップとストリップライン：基本概念
マイクロストリップは、通常その直下にリファレンスプレーンを持つ、PCB 最外層上に配線された伝送線路である。その電磁界により、一部は誘電体である PCB 内を伝搬し、残りはその上方の空気中を伝搬する。このような混在した伝搬環境では、有効比誘電率が低くなり、完全に閉じ込められた配線の場合よりも信号が高速に伝搬できる。
一方、ストリップラインは PCB 内の 2 枚のグラウンドプレーンの間に配置されます。誘電体材料が信号配線を完全に取り囲み、均一な電磁環境を提供します。ストリップラインは有効比誘電率が大きいためマイクロストリップより信号の伝搬速度は遅くなりますが、閉じた構造であるため EMI やクロストークに対するシールド性能は優れています。
これらの物理的な位置の相違は、それぞれの種類の伝送線路の電気的特性、製造の複雑さ、および用途に直接影響を及ぼす。
信号動作とインピーダンス特性
高速PCB設計における主要な設計上の考慮事項の一つは、信号が劣化や歪みなく伝送されることを保証するための特性インピーダンスの制御です。ストリップラインとマイクロストリップの両方ともインピーダンスを制御することができますが、その構造的な特性は異なっており、その結果として動作も異なります。
FR-4 のような一般的な基板は、マイクロストリップにおいて有効比誘電率が 2.5～3.5 の範囲にあります。電磁界の一部が（比誘電率 1 の）空気中を通過するため、マイクロストリップの信号はより高速に伝搬します。50Ω などの目標インピーダンスを達成するために必要なトレース幅は、通常やや大きめになるため、製造要件が緩和され、エッチング精度に対する許容度も高くなります。マイクロストリップ配線は、開発やテストの際に測定やプロービングが容易であるという利点もあります。
しかしストリップラインは、有効比誘電率が誘電体材料そのものに非常に近く、一般的に 4.0～4.5 の範囲にあります。完全に埋め込まれた環境では信号の伝搬が遅くなりますが、周囲の誘電体が一様であるため、インピーダンスはより予測しやすくなります。同じインピーダンスを得る場合、ストリップラインの配線はマイクロストリップよりも細くなるため、製造を非常に高精度に行う必要があります。それにもかかわらず、この完全に閉じた設計は外部要因によるばらつきを無視できるようにし、ボード全体にわたって信号の一様性を高めます。
EMI、クロストーク、およびノイズの考慮事項
高速PCB設計における課題には、電磁干渉とクロストークが含まれる。マイクロストリップ配線は、PCB表面上にあるため、EMIや放射の影響をより受けやすい。信号が隣接する配線や外部ソースに結合すると、感度の高い回路にノイズを引き起こす可能性がある。この弱点により、マイクロストリップはノイズが中程度である場合や、信号がそれほど重要でない場合のシナリオで適用される。
ここではストリップラインには大きな利点があります。トレースを2つのリファレンスプレーンの間に挟むことで、外部のノイズ源からトレースを遮蔽できます。これにより放射が低く抑えられ、他のトレースとのクロストークも大幅に低減されます。このため、ストリップラインは高密度設計において一般的な選択肢となっています。多層基板、高速デジタル回路、またはノイズに敏感なRF回路。
生産および経済的コスト
マイクロストリップは、より簡単かつ低コストにすることができます。PCB の外側部分に配置されているため、製造・検査・評価をより容易に行うことができます。試作においても、マイクロストリップを用いると変更やデバッグがしやすいため、コストや周波数がそれほど高くない場合には好ましい選択肢となります。
ストリップラインで使用されるスタックアップには多層PCBが必要であり、製造はより複雑で高価になります。グラウンドプレーンの正確な位置決めとより細い配線幅には、より厳密な公差が求められ、埋設配線はプロービングやリワークがより困難になります。しかし、多層の高性能ボードでは、優れたEMI制御とシグナルインテグリティにより、その追加コストは相殺されます。
これらは多様であるものの、フォトレジスト塗布、イメージング、およびエッチングにおけるPCB製造の基本原理は類似している。ストリップラインのコストは主に多層基板の組み立てによるものであり、エッチングによるものではない。
実践的な応用
マイクロストリップこれは、アクセスしやすくコスト効率が求められるRF部品、アンテナ、および外層配線で最もよく使用されます。低周波数や、ノイズ感度の低い信号を扱う場合に有用です。
ストリップライン通常、信号経路が重要であり、高速・ノイズに敏感、または高密度多層基板の場合に用いられる。一定のインピーダンスを保ち、優れたEMI特性を提供する。
どちらも、エッジ結合またはブロードサイド結合として、高速信号の性能を向上させるために差動ペア構造に適用することができます。
マイクロストリップとストリップラインの選択
マイクロストリップまたはストリップラインの使用は、いくつかの要因に依存します。
周波数範囲:マイクロストリップは通常、より低い周波数（<5 GHz）で使用できます。EMI が重要となる場合、高周波信号にはストリップラインが使用されます。
騒音への敏感さ：ストリップラインは、干渉やクロストークに特に敏感な回路において、より適した構造です。
コスト要因：マイクロストリップは製造コストと複雑さを低減する。
アクセシビリティ外層のマイクロストリップ配線は、テスト時にプローブや修正を行うのがより容易です。
シグナル性能マイクロストリップは伝搬特性に優れており、一方でストリップラインは信号完全性とEMI保護に優れています。
実務的には、混合システムがよく用いられます。アクセス性とコスト削減が主な懸念事項となる外層配線には通常マイクロストリップが使用され、重要な内層信号には、同様のインピーダンスを確保しノイズを最小限に抑えるためにストリップラインが適用されます。
PCB設計において、マイクロストリップとストリップラインは、伝送線路設計として互いを補完し合う存在です。マイクロストリップは構造が単純でコストが低く、信号伝送がより高速である一方、ストリップラインは優れたEMI保護、一定のインピーダンス、およびより高い動作周波数を実現します。両者の違いを理解することで、設計者は最高レベルの信号完全性、製造効率、そしてPCB全体の信頼性を達成することができます。
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役立つリソース
•高速PCB設計におけるインピーダンス制御
•RFおよびマイクロ波PCB設計ガイドライン
•PCB層構成設計
•リフローはんだ付け工程ガイドライン
