高速アプリケーションの分野では、高密度相互接続 (HDI) PCB が基礎テクノロジーとして浮上しています。 HDI PCB サプライヤーとして、私は電気通信、データ センター、ハイ パフォーマンス コンピューティングなどのさまざまな高速セクターでこれらのボードの需要が高まっていることを直接目撃してきました。高速アプリケーション向けの HDI PCB の設計と製造における最も重要な側面の 1 つは、インピーダンス制御です。このブログでは、高速シナリオにおける HDI PCB のインピーダンス制御要件について詳しく説明します。
高速 HDI PCB のインピーダンスを理解する
PCB の文脈におけるインピーダンスは、回路が交流の流れに対して与える抵抗を指します。高速アプリケーションでは、インピーダンスの不整合により信号反射が発生し、信号の完全性が低下する可能性があるため、一貫したインピーダンスを維持することが重要です。信号が HDI PCB 上の伝送ラインを通過するとき、特定のインピーダンスがスムーズに流れることが期待されます。実際のインピーダンスが期待値と異なる場合、信号の一部が跳ね返り、信号の歪み、リンギング、電磁干渉 (EMI) の増加などの問題が発生します。
HDI PCB のインピーダンスに影響を与える主な要因
トレースジオメトリ
HDI PCB 上のトレースの幅、厚さ、間隔は、インピーダンスに直接影響します。高速信号の場合、一般に配線幅が狭くなるとインピーダンスが高くなり、配線幅が広くなるとインピーダンスが低くなります。トレースの厚さも影響します。通常、配線が厚いほどインピーダンスが低くなります。さらに、隣接するトレース間の間隔は、それらの間の結合に影響します。トレースが近すぎると、それらの間の相互容量とインダクタンスが変化し、それがインピーダンスに影響を与えます。
誘電体材料
HDI PCB のトレースと基準面の間の誘電体材料も重要な要素です。誘電体材料が異なれば、比誘電率 (εr) も異なります。 εr 値が大きいほど、インピーダンスは低くなります。高速アプリケーションでは正確なインピーダンス制御が必要な場合が多いため、適切な誘電体材料を選択することが不可欠です。さらに、誘電体層の厚さもインピーダンスに影響します。通常、誘電体層が薄いとインピーダンスが低下し、誘電体層が厚いとインピーダンスが増加します。
スタックアップデザイン
HDI PCB のスタックアップ (銅層と誘電体層の配置を指します) は、インピーダンスに大きな影響を与えます。高速 HDI PCB では、適切に設計されたスタックアップにより、さまざまな層にわたって一貫したインピーダンスを維持できます。たとえば、信号層に隣接して適切なグランド プレーンと電源プレーンを配置すると、信号に安定した基準を提供でき、インピーダンスが変動する可能性が低くなります。
さまざまなタイプの HDI PCB に対する特定のインピーダンス制御要件
1次HDIボード
1次HDIボード最も基本的なタイプの HDI PCB です。高速アプリケーションでは、特定のアプリケーションに応じて、通常 50 ～ 100 オームの範囲のインピーダンス制御が必要です。たとえば、イーサネット アプリケーションでは、50 オームまたは 100 オームの特性インピーダンスが一般的に使用されます。これを達成するには、トレース幅、誘電体の厚さ、および材料の選択を慎重に最適化する必要があります。 1 次 HDI ボードのビアも、インピーダンスの不連続性を最小限に抑えるように設計する必要があります。 1 次 HDI ボードには通常、ブラインド ビアまたは埋め込みビアがあるため、これらのビアのサイズとアスペクト比がインピーダンスに影響を与える可能性があります。より小さなビア サイズと適切なアスペクト比は、より一貫したインピーダンスを維持するのに役立ちます。
2次HDIボード
2次HDIボード1 次ボードと比較して、より高いレベルの相互接続密度を提供します。高速シナリオでは、インピーダンス制御要件がより厳しくなります。 2 次 HDI ボードのインピーダンス許容差は、± 5% 以内、またはそれ未満である必要がある場合があります。これは、これらのボードのスタックがより複雑になり、信号密度が高くなるため、インピーダンスの変動の影響を受けやすくなるからです。これらの要件を満たすには、トレース形成のための精密なエッチングや誘電体層の制御のための正確な積層などの高度な製造技術が必要です。さらに、多くの場合、低損失で安定した誘電率を備えた高性能誘電体材料の使用が必要となります。
任意の層の HDI PCB
任意の層の HDI PCBHDI PCB の中で最高レベルの相互接続の柔軟性を提供します。高速アプリケーションでは、非常に正確なインピーダンス制御が必要です。インピーダンス値は特定の信号要件に応じて異なりますが、許容誤差は ± 2% までとなります。これらのボードは、多くの場合、複数の信号層と、異なる層を接続するビアを備えた非常に複雑なスタックを備えています。一貫したインピーダンスを確保するために、設計段階で高度なシミュレーション ツールを使用してインピーダンスを予測し、最適化します。製造プロセスでは、望ましいインピーダンス値を維持するために厳密なプロセス制御が実施されます。
HDI PCB のインピーダンスの測定とテスト
HDI PCB がインピーダンス制御要件を満たしていることを確認するには、正確な測定とテストが不可欠です。インピーダンスを測定するには、タイムドメイン反射率測定法 (TDR) やベクトル ネットワーク アナライザー (VNA) など、いくつかの方法があります。
TDR は、PCB 上の伝送ラインに高速立ち上がりステップ パルスを送信することによって機能します。インピーダンスの不整合がある場合、パルスの一部が反射され、反射されたパルスの時間と振幅を使用してインピーダンスを計算できます。一方、VNA は PCB の散乱パラメータ (S - パラメータ) を測定します。 S - パラメータを分析することにより、PCB のインピーダンスおよびその他の電気特性を決定できます。
生産プロセスでは、PCB のインピーダンスをチェックするためにインライン テストが実行されることがよくあります。一定の間隔でサンプルが採取され、インピーダンスが測定されて、指定された許容誤差内に収まっていることが確認されます。完成した PCB に対しても最終テストが実施され、顧客に出荷される前に高速インピーダンス要件を満たしていることが保証されます。
高速アプリケーションにおける HDI PCB のインピーダンス制御における課題
主な課題の 1 つは、HDI PCB の小型化です。基板と配線のサイズが小さくなるにつれて、インピーダンスを正確に制御することがより困難になります。製造プロセスはより正確である必要があり、トレース幅や誘電体の厚さの小さなばらつきでさえ、インピーダンスに大きな影響を与える可能性があります。
もう 1 つの課題は、信号の高速化です。信号が高速になると、インピーダンスの変化の影響を受けやすくなり、PCB 材料の周波数依存特性がより顕著になります。これには、高周波における材料特性をより深く理解し、周波数に関連したインピーダンスの変化を補償する高度な設計技術を使用する必要があります。
結論と行動喚起
結論として、インピーダンス制御は、高速アプリケーション向けの HDI PCB 設計および製造において重要な側面です。インピーダンスに影響を与える主な要因、さまざまなタイプの HDI PCB の特定の要件、および測定およびテスト方法を理解することで、PCB が高速システムの厳しいニーズを確実に満たすことができます。
経験豊富な HDI PCB サプライヤーとして、当社は専門知識と高度な製造能力を備えており、お客様の高速アプリケーション向けに正確なインピーダンス制御を備えた高品質の HDI PCB を提供します。 1 次 HDI ボード、2 次 HDI ボード、または任意の層の HDI PCB が必要な場合でも、当社はお客様のご要望にお応えします。当社の製品にご興味がございましたら、または基板要件についてご相談になりたい場合は、商談についてお問い合わせください。高速設計の目標を達成するために、お客様と提携できることを楽しみにしています。
参考文献
- IPC - 2221A、プリント基板設計に関する汎用規格
- ヘンリー・W・オット、「電磁両立性工学」
- エリック・ボガティン、「Signal Integrity Simplified」
