PCB技術 - PCB基板のインピーダンス制御方法

インピーダンス制御がないと、かなりの信号反射と信号歪みが起こり、設計に失敗します。PCIバス列、PCI-Eバス列、USB、イーサネット、DDRメモリ、LVDS信号などの一般的な信号は、インピーダンス制御を行う必要があります。インピーダンス制御は最終的にPCB設計を通じて実現する必要があり、PCB基板技術に対してもより高い要求を提出し、PCB工場とのコミュニケーションを経て、EDAソフトウェアの使用を結合して、信号完全性の要求に従って糸を引くインピーダンスを制御する。

以下の異なる引き廻し管は、計算により対応するインピーダンス値を得ることができる。

マイクロストリップワイヤは1本の帯状ワイヤと地表面から構成され、中間は誘電体である。マイクロストリップ線の誘電体の誘電率、線の幅、および地表面との距離が制御可能であれば、その特性インピーダンスも制御可能であり、その精度は±5%以内である。

ストリップライン（strippline）

帯状線は2層の導電平面の間の誘電体の中間に配置された銅線である。リボン線の厚さと幅、誘電体の誘電率、および2層の接地面の距離が制御可能であれば、線の特性インピーダンスも制御可能であり、精度は10%以内である。

多層PCBの構造については、PCBをうまくインピーダンス制御するために、まずPCBの構造を理解しなければならない。

通常、私たちが言っている多層PCBは、コアプレートと半硬化シートとが互いに積層圧着されたものであり、コアプレートは硬質で、特定の厚さがあり、両面に銅を被覆した板材であり、PCBを構成する基礎資料である。一方、半硬化シートはいわゆる浸潤層を構成し、コアプレートを接着する役割を果たしており、初期厚さもあるが、プレス中にその厚さは若干変化する。

通常、多層PCBの最外面の2つの誘電体層はいずれも浸潤層であり、これら2層の外面には外層銅箔として銅箔層を単独で用いている。外層銅箔と内層銅箔の元の厚さ規格は、一般的に0.5 OZ、1 OZ、2 OZ（1 OZは約35 umまたは1.4 mil）の3種類があるが、一連の表面処理を経て、外層銅箔の最終厚さは一般的に1 OZ近く増加する。内層銅箔はコアプレートの両面の銅被覆であり、その最終的な厚さは元の厚さとの差は小さいが、エッチングのため、一般的には数um減少する。

多層PCBの最外層はソルダーレジスト層であり、私たちがよく言うグリーンペイントであり、もちろん黄色や他の色でもあります。ソルダーレジスト層の厚さは一般的に正確には決定しにくいが、表面に銅箔がない領域は銅箔がある領域よりもやや厚いが、銅箔の厚さが欠けているため、銅箔はより際立って見え、PCB表面に指で触れると感じることができる。

ある特定の厚さのPCBを作製する際には、各種資料のパラメータを合理的に選択することが要求される一方、半硬化シートの最終成形厚さは初期厚さよりも若干小さくなる。次は6層PCB積層構造です。

異なるPCB工場では、PCBのパラメータにわずかな違いがあり、PCB工場の技術支援とのコミュニケーションを通じて、このPCB工場のパラメータデータを得ることができる。

表層銅箔：使用できる表層銅箔資料の厚さは3種類：12 um、18 um、35 um。加工後の最終的な厚さは約44 um、50 um、67 umである。

芯板：私たちがよく使う板材はIT 180、標準的なFR-4、2つのパン銅で、選択できる規格はPCBメーカーと連絡して確定することができます。

半硬化シート：規格（元の厚さ）は7628（0.185 mm）、2116（0.105 mm）、1080（0.075 mm）、3313（0.095 mm）があり、実際のプレス完成後の厚さは通常元の値より10-15 um程度小さくなる。同じ浸潤層は最大3つの半硬化シートを使用することができ、しかも3つの半硬化シートの厚さはすべて同じではなく、少なくとも1つの半硬化シートを使用することができるが、メーカーによっては少なくとも2つを使用する必要がある。半硬化シートの厚みが足りなければ、コアプレート両面の銅箔をエッチングし、両面に半硬化シートで接着することで、厚い浸潤層を実現することができる。

ソルダーレジスト層：銅箔上面のソルダーレジスト層厚C 2≒8−10 um、表面無銅箔領域のソルダーレジスト層厚C 1は表面銅厚によって異なり、表面銅厚が45 umの場合はC 1≒13−15 um、表面銅厚が70 umの場合はC 1≒17−18 umである。

ワイヤ断面：ワイヤの断面は長方形だと思いますが、実際には台形です。トップ層を例にとると、銅箔の厚さが1 OZの場合、台形の上底辺は下底辺より1 MIL短い。例えば線幅5 MILであれば、その上底辺約4 MIL、下底辺5 MIL、上下底辺の違いは銅厚と関係がある。

誘電率：半硬化シートの誘電率は厚さと関係がある：板材の誘電率は使用する樹脂資料と関係があり、FR 4板材の誘電率は4.2-4.7であり、周波数の増加に伴って減少する。

誘電体損失係数：誘電体資料は交流電場の作用下で、発熱によって消費されるエネルギーを誘電体損失と呼び、通常は誘電体損失係数tanδ に表示されます。利益S 1141の典型的な値は0.015である。

線路公差：加工の最小線幅と線距離：3 ml/3 milを確保できる。

インピーダンス計算のツールの概要

多層PCBの構造を理解し、必要なパラメータを把握した後、EDAソフトウェアでインピーダンスを計算することができます。Polar SI 9000を使用することができます。これは特徴的なインピーダンスを計算するのに良いツールで、今では多くのPCB工場がこのソフトウェアを使用しています。

差動線でも一端線でも、内層信号の特徴的なインピーダンスを計算すると、Polar SI 9000の計算結果はAllegroとわずかな差があることがわかります。これは、導線断面の形状など、詳細な処理に関連しています。しかし、表面信号を計算する特徴的なインピーダンスであれば、SurfaceモデルではなくCoatedモデルを選択することをお勧めします。このようなモデルはソルダーレジスト層の存在を考慮しているので、結果はより正確になります。次の図は、Polar SI 9000を用いて、ソルダーレジスト層を考慮した場合の表層差分線インピーダンスを計算する部分カットです：

ソルダーレジスト層の厚さは制御しにくいので、板工場の提案に基づいて、近似的な方法を使用することもできます：Surfaceモデル計算の結果から特定の値を減算して、差分インピーダンスから8オームを減算して、シングルエンドインピーダンスから2オームを減算することを提案します。

差分対引き廻しのPCB要件

1、引き廻しモード、パラメータ及びインピーダンス計算を確定する。差分対走線外層マイクロストリップ線差分モードと内層帯状線差分モードの2種類があり、合理的にパラメータを設定することにより、インピーダンスは相関インピーダンス計算ソフトウェア（例えばPOLAR-SI 9000）を利用して計算することができ、インピーダンス計算式を利用して計算することもできる。

2、平行等間隔線を歩く。引き廻し線の幅と間隔を確定して、引き廻し線の時に厳格に計算した線の幅と間隔に従って、2線の間隔はずっと不変で、つまり平行を維持しなければならない。平行なパイプには、同じ一線層（side-by-side）を歩く2つの線と、上下相の2層（over-under）を歩く2つの線があります。一般的には、PCB板の実際の加工過程において、積層間の積層アライメント精度が同層エッチング精度より大幅に低いため、後者である層間差分信号の使用をできるだけ避けることができ、及び積層過程における媒体の流失により、差分線の間隔などが層間媒体の厚さに保証できず、層間差分対の差分インピーダンスの変化をもたらすことができる。眠いこの場合は、できるだけ同じ層内の差分を使用することをお勧めします。

以上は、PCBをインピーダンス制御する方法と、多層PCB積層構造、インピーダンスに影響を与えるパラメータの説明である。