高速PCBのビアにおいて、ノンファンクショナルパッドは除去すべきか、それとも残すべきか？

高速信号は、通信業界において避けて通れないホットな話題です。伝送情報量と伝送速度の増加に伴い、高速信号は次第に重要性を増してきています。高速PCBは、高速信号用のロードボードであり、その材料選定、製造技術、および配線設計はすべて高速信号の品質に影響を与える。ノンファンクショナルパッド（Non-Functional Pad、以下 NFP）は、高速 PCB を製造するための技術的手法であり、挿入損失は信号品質を示す最も重要なパラメータの一つである。NFP を除去するか残すかは、エンジニアとメーカーの間で避けて通れない議論のテーマとなっている。本稿では、実験的手法により製造プロセスの観点から、高速信号の挿入損失に対する NFP の影響を分析し、未使用パッドを除去すべきか残すべきかという問いに対する答えへと導く。

NFPの紹介

ノンファンクショナルパッド（NFP）とは、内層または外層において、その層上のいかなる能動的な導電パターンにも接続されていないパッドを指します。NFP は電気信号の伝送には一切影響を及ぼしませんが、スルーホールの壁面における銅の密着性を高める効果があります。NFP の例は下記の図1に示されています。

NFP を追加するということは、PTH（スルーホールめっき）銅の前に金属の取り付けポイントを設けることを意味します。そのため、多くのメーカーは、多層プロセスにおいて PTH 銅の効果をより良く確保するために NFP を追加する傾向があります。PCB製造.

実験デザイン

この実験では、同じCCL（銅張積層板）材料が選択される。すべてのPCBは20層で構成されており、そのうち配線は第3層と第18層に実装されている。挿入損失は、NFP を追加した場合との比較が可能である（スキーム1）および NFP の削除スキーム2) NFP が信号品質に影響を及ぼすかどうかを確認するためである。PCB 製造の過程には多くの不確定要素が存在するため、他の影響要因が製造工程に混入しないことを保証するためにも、挿入損失以外の重要パラメータを検査する必要がある。

影響要素の検査

・インピーダンス一貫性検査

信号損失試験では、インピーダンスの不整合により信号反射が発生しやすくなり、その結果、挿入損失試験の結果に影響を及ぼす。したがって、挿入損失試験の正確性は、インピーダンス整合の品質に直接依存する。特性インピーダンス試験は、それぞれ次のように実施される。スキーム1そしてスキーム2得られた特性インピーダンスの値を、下表にまとめます。

上記の表に基づくと、2つの方式間のインピーダンス差は5％以内に収まっており、特性インピーダンスが損失試験に与える影響は無視できると結論づけられる。

・挿入損失検査に影響を与える要素

挿入損失は、誘電体損失と導体損失で構成される。本実験で検証した2つの方式には同一の材料とライトペインティングパターンが適用されているため、誘電体損失と導体損失はPCB製造に起因するものだけである。次に、PCB製造への影響がないことを確認するため、両項目についてそれぞれ分析を行う。

a. 誘電損失検査

多層積層において接着ボンディングシートを適用すると、樹脂のリセッションが発生し、その量の違いによって誘電損失に差異が生じます。接着ボンディングシートにおける樹脂リセッションの不確実性に対処するため、積層後に断面解析を実施し、樹脂リセッション量の差異による影響を完全に排除する必要があります。

解析の結果、2つの方案における上層および下層のコア厚さはそれぞれ139.8μmと135.2μmであると要約できる。積層後、接着用ボンディングシートの厚さはそれぞれ257.4μmと251.9μmとなる。最大厚さ差は6μm以内に収まり、製造公差の要求を満たしており、誘電損失による挿入損失への影響は生じない。

b. 導体損失検査

したがって、導体損失は、線路の長さと幅、表面粗さ、および横方向のエロージョンに関連しているPCB製造プロセス試験回路において。本実験の2つの方式では、配線長の影響を排除したうえで回路設計は同一である。ブラウン効果、エッチング液の濃度および水圧はいずれも表面粗さに影響を及ぼす。これらの複雑な要因を避けるため、回路の一貫性は最終結果から直接判断する。

実験を通じて、伝送線路の幅は、それぞれ168μmおよび166μmであると測定され、適用されたのはスキーム1そしてスキーム2伝送線路の高さは18.3μmおよび18.9μmである。表面粗さはいずれも2.5μmに保たれている。これらすべてのデータは、伝送線路の製造に関して導体損失が基本的に同程度であることを示しており、そのため挿入損失に対する導体損失の影響は排除できる。

NFP影響分析

誘電損失および導体損失の発生源から出発し、挿入損失の発生原理と組み合わせて、2つの方式において唯一の変数である NFP のみが生じるようにするため、PCB 製造の一貫性に関する一連の検査が実施される。IPC-TM650-2.5.5.12 における FD（周波数領域）法によれば、スキーム1そしてスキーム2その結果は、以下の図2に示すように検証されています。

唯一の変数であるNFPの結果として、NFPが信号挿入損失に与える影響をおおよそ判断することができる。スキーム1NFP を削除しつつスキーム2NFPを維持します。上の図からわかるように、レイヤー03でもレイヤー18でも、挿入損失試験の結果はスキーム1はすべてそれよりも小さいスキーム2これは、NFP を追加すると信号の挿入損失が増大することを示している。

この実験に基づくと、2つの方式間の挿入損失の差は約9％に維持されている。図3は、有名な通信端末用材料に対する一次評価である。

図3に基づくと、すべての等級の材料間で挿入損失の差はごくわずかであることがわかる。本実験で確認された挿入損失がちょうどしきい値の範囲内に収まる場合、材料グレードはNFPによって引き下げられ、材料メーカーから最終製品に至るまでの生産ライン全体に大きな影響を及ぼすことになる。

結論

高速PCBになると、多層プリント基板製造におけるビア形成を通じた発展動向は必然であり、これは第一の課題である。NFP は、PCB 製造工程におけるビア壁の PTH 銅を大幅に改善し、ビア銅の剥離を防止し、ビア壁クラックなどの品質問題への対処に有効な役割を果たす。本稿では、その他の影響要因を排除したうえで NFP を変数として取り上げ、NFP が挿入損失に与える影響を分析することで、高速 PCB 設計に関して、材料メーカー、PCB メーカーおよびエンドメーカーに一定の参考資料を提供できるようにしている。

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