PCB技術 - 特性インピーダンスとは？

特性インピーダンスとは「特徴インピーダンス」とも呼ばれ、直流抵抗ではなく、長線伝送における概念に属する。高周波範囲では、信号伝送中、信号が到達した場所に沿って、信号線と基準平面（電源または地表面）との間に電界の確立により、瞬間電流が発生し、伝送線が等方的であれば、信号が伝送されている限り、常に1つの電流Iに存在し、信号の出力レベルがVであれば、信号伝送中に、伝送線は抵抗に等価であり、大きさはV/Iであり、この等価な抵抗を伝送路の特性インピーダンスZと呼ぶ。信号は伝送の過程で、伝送路上の特性インピーダンスが変化すると、信号はインピーダンスが不連続なノードで反射する。

1.抵抗

AC電流が導体を流れるとき、抵抗はインピーダンスと呼ばれ、Zに対応し、単位はΩです。

このときの抵抗は直流電流とは異なります。抵抗の抵抗に加えて、誘導性リアクタンス（XL）と容量性リアクタンス（XC）の抵抗の問題があります。

直流の抵抗を区別するために、交流が遭遇する抵抗をインピーダンス（z）と呼びます。

Z =√R2+（XL -XC）2

2.インピーダンスとは（z）

近年、IC集積の改良と応用により、信号の伝送周波数と速度はますます高くなっています。そのため、信号の伝送（伝送）が一定の値に達すると、PCBワイヤ自体の影響を受け、深刻な歪みや伝送信号の完全な損失が発生します。これは、PCBワイヤを流れる「もの」が電流ではなく、方形波信号またはエネルギーのパルスの送信であることを示しています。

3.特性インピーダンス制御（Z0）

上記の「信号」伝送の抵抗は、「特性インピーダンス」とも呼ばれ、記号Z0を表します。

したがって、PCBワイヤの「オン」、「オフ」、「短絡」の問題を解決するだけでなく、ワイヤの特性インピーダンスを制御するだけでは不十分です。言い換えれば、高速伝送および高周波信号伝送用の伝送ラインの品質は、伝送ワイヤの品質よりもはるかに厳しいものです。それはもはや「開/短絡」テストパス、またはノッチではなく、バリは線幅の20％を超えません。特性インピーダンス値を測定する必要があり、インピーダンスは許容範囲内に制御する必要があります。そうしないと、廃棄されるだけで、再加工できません。

図１

PCBの特性インピーダンスとはを制御する必要があるのはなぜですか

1.電子機器（コンピューター、通信機）が動作しているとき、ドライバーから送信された信号は、PCB伝送ラインを介して受信機に到達します。信号がプリント回路基板の信号線で送信される場合、信号の「エネルギー」を完全に送信できるように、特性インピーダンス値Z0はヘッドコンポーネントとテールコンポーネントの「電子インピーダンス」と一致する必要があります。

2.プリント基板の品質が悪く、Z0が許容値を超えると、送信信号に反射、分散、減衰、遅延などの問題が発生します。深刻なケースでは、間違った信号が送信され、コンピュータがクラッシュします。

3.プレートの厳密な選択と製造プロセスの制御により、多層基板上のZ0は、お客様が要求する仕様を満たすことができます。電子インピーダンスが高いほど、伝送速度は速くなります。したがって、PCBのZ0は、一致するコンポーネントの要件を満たすように改善する必要があります。Z0が認定されている場合にのみ、高速または高周波信号に必要な認定製品と見なすことができます。

PCB基板およびPCB材料の特性インピーダンスZoとPCBプロセスの関係

PCBマイクロストリップライン構造の特性インピーダンスZ0の式：Z0 = 87 / R + 1.41 ln5.98h /（0.8W + T）

ここで、εR-誘電率H-誘電体の厚さW-導体の幅T-導体の厚さ

ボードのεRが低いほど、PCB回路のZ0値を大きくし、高速コンポーネントの出力インピーダンス値と一致させるのが容易になります。

4.特性インピーダンスZ0はプレートのεRに反比例します。

Z0は、中程度の厚さの増加とともに増加します。したがって、Z0の厳密な高周波回路では、中程度の厚さの銅張積層基板の誤差が厳密に要求されます。一般に、中程度の厚さの変化は10％を超えてはなりません。

5.誘電体の厚さが特性インピーダンスZ0に及ぼす影響

線密度の増加に伴い、中程度の太さの増加は電磁干渉の増加を引き起こします。したがって、導体配線密度の増加に伴い、媒体の厚さを薄くして、電磁干渉によって引き起こされる漂遊信号またはクロストークを排除または低減するか、またはεRを低減して、低εr基板を選択する必要があります。

マイクロストリップライン構造の特性インピーダンスZ0によると、式は次のようになります。Z0= 87 / R + 1.41 ln5.98h /（0.8W + T）

銅箔の厚さ（T）は、Z0に影響を与える重要な要素です。線の太さが大きいほど、Z0は小さくなります。しかし、変動の範囲は比較的小さいです。

6.特性インピーダンスZ0に対する銅箔の厚さの影響

銅箔の厚さが薄いほど高いZ0値が得られますが、厚さの変化はZ0にほとんど影響しません。

Z0を改善または制御するための細いワイヤの製造において、Z0への薄い銅箔の寄与は薄い銅箔の寄与よりも正確です。

式によると：

Z0 = 87 / r +1.41 ln5.98H /（0.8W + T）

線幅Wが小さいほど、Z0は大きくなります。線幅を狭くすると、特性インピーダンスが向上します。

Z0に対する線幅の変化の影響は、線の太さの影響よりもはるかに明白です。

7.特性インピーダンスZ0に対する導体幅の影響

Z0は線幅Wが狭くなると急激に増加します。したがって、Z0を制御するには、線幅を厳密に制御する必要があります。現在、ほとんどの高周波線と高速デジタル線の信号伝送線幅Wは0.10または0.13mmです。従来、線幅制御偏差は±20％です。伝送線路のない従来の電子製品の場合、PCB線（線長「信号波長の1/7」）は要件を満たすことができますが、Z0制御の信号伝送線路の場合、PCB線幅の偏差は±20％であり、これはできません。要件を満たします。Z0の誤差が±10％以上だからです。

＊PCB特性インピーダンスとは制御とPCBプロセス制御

1.PCBフィルムの製造管理と検査

一定の温度と湿度の部屋（21±2°C、55±5％）、防塵、線幅補正。

2.PCB基板パネルの設計

パネルの端が狭すぎないようにし、コーティングを均一にし、メッキと偽陰極を使用して電流を分散させる必要があります。

標準サンプル（クーポン）は、Z0をテストするために設計されました。

3.PCBエッチング

厳格なプロセスパラメータ、側面腐食を低減し、最初の検査を実行します。

ワイヤーエッジでの残留銅、銅スラグ、銅スクラップを減らします。

線幅を確認し、必要な範囲（±10％または±0.02mm）で制御してください。

4.Pcbaoi試験

2GHzの高速信号の場合、ギャップが0.05mmであっても、廃棄する必要があります。重要なのは、内層の線幅と欠陥を制御することです。

5. PCBのラミネーション

真空ラミネーター、圧力を下げ、接着剤の流れを減らし、より多くの樹脂を維持しようとします。樹脂がεRに影響を与えるため、樹脂の保存が多くなり、εrが低くなります。ラミネートの厚さの公差を制御します。板厚が均一ではないため、中程度の厚さの変化がZ0に影響を与えることを意味します。

6.PCB基板を選択します

プレートタイプのブランキングの顧客の要求に厳密に従ってください。間違ったモデル、間違ったεR、間違ったプレートの厚さ、正しいPCB製造プロセス、同じスクラップ。Z0はεRの影響を大きく受けるためです。

7.PCBはんだマスク

理論的には、抵抗溶接の厚さは厚すぎてはいけませんが、実際には、影響はそれほど大きくありません。銅導体の表面は空気にさらされているため（εr= 1）、Z0の測定値は高くなります。ただし、抵抗溶接のεrは空気よりもはるかに高い4.0であるため、Z0の値は溶接抵抗後に1〜3Ω減少します。

8.吸水率PCB

完成した多層基板は、水のεr= 75がZ0に大きな落下と不安定な影響をもたらすため、可能な限り吸水を回避する必要があります。

PCBの特性インピーダンスとはに影響を与えるのは誘電体の厚さであり、次に誘電率、線幅、線の太さが続きます。基板を選択した場合、εRとHの変化は小さく、tは制御しやすいが、線幅Wを±10％以内に制御することは難しい。さらに、線幅の問題には、ピンホール、ノッチ、およびワイヤのくぼみが含まれます。ある意味で、Z0を制御するための効果的かつ重要な方法は、PCBの線幅を制御および調整することです。