プリント基板のインピーダンス制御は、高速化と高速化を実現するために非常に重要です。-高周波-回路アプリケーション。プリント基板メーカーにとって、インピーダンスが設計要件を満たしていることを確認することは、信号の完全性だけでなく、電磁両立性 (EMC) や製品全体の信頼性にも直接影響します。
インピーダンス制御の基本概念
インピーダンスとは何ですか?
インピーダンス (Z) は、オーム (Ω) 単位で測定される、AC 回路内の電流の合計抵抗です。抵抗 (R) とリアクタンス (X) で構成されます。リアクタンスはさらに、誘導性リアクタンス (XL) と容量性リアクタンス (XC) に分けられます。プリント基板の伝送線路では、インピーダンスは主に信号ルーティングの幾何学的構造、材料の誘電特性、周波数などの要因に依存します。
なぜインピーダンス制御が必要なのでしょうか?
プリント基板製造におけるインピーダンス制御の主な目的は、信号伝送の完全性を確保し、信号の反射と損失を低減し、それによって電子製品の性能と安定性を向上させることです。高周波信号伝送では、インピーダンスの不整合により次のような問題が発生する可能性があります。-
信号の反射とリンギングは高速信号の信頼性に影響します。-
EMI (電磁妨害) が増加し、製品の電磁適合性に影響します。
データエラー率の増加は通信システムの安定性に影響を与えます。
信号の減衰が激しくなり、長距離伝送の有効性に影響します。-
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高周波および高速プリント回路基板の材料選択--
高周波および高速のプリント基板アプリケーションでは、材料の選択が非常に重要です。{0}一般的な材料とその特徴は次のとおりです。
FR4: 低コストでありながら高い Dk 値を備えた一般的なプリント基板材料で、中速および低速のアプリケーションに適しています。{0}}
Rogers 4350B: 低 Dk、低損失で、5G 通信、マイクロ波、レーダー システムに適しています。
IsolaITeraMT40: 低損失、安定した Dk 値、高速信号伝送に適しています。-
Panasonic Megtron 6: 信頼性が高く、データセンターや光ネットワークなどの高速アプリケーションに適しています。-
プリント基板製造におけるインピーダンスに影響を与える主な要因
プリント基板の製造プロセスにおいて、インピーダンスに影響を与える主な要因には、主にワイヤ幅、銅の厚さ、誘電体の厚さ、誘電率 (Dk)、伝送線路のタイプ、はんだマスク層の影響、層間の位置合わせ精度、エッチングプロセス制御などが含まれます。これらの要因が連携してプリント基板のインピーダンス特性を決定し、信号の完全性とシステムのパフォーマンスに影響を与えます。以下は、プリント基板の製造に対するこれらの要因の影響の詳細な分析です。
1. ワイヤ幅がインピーダンスに与える影響
ワイヤの幅によってインピーダンス値が決まり、幅が狭いほどインピーダンスが高くなります。幅が広いほどインピーダンスは低くなります。製造プロセス中、次の要因が最終的なワイヤ幅に影響を与える可能性があります。
エッチングプロセス: 横方向の腐食により実際の幅にずれが生じる可能性があるため、設計時に補正を確保する必要があります。
リソグラフィーの精度: 露光と現像は細線の制御に影響し、HDIプリント基板は特に重要です。
銅の厚さの影響: 銅の層が厚ければ厚いほど、側面の腐食がより顕著になり、インピーダンスの安定性を確保するには正確な補償が必要になります。
一般的なインピーダンス許容差は ± 10% 以内に制御されますが、5G 通信や高速サーバーなどのハイエンド アプリケーションでは、± 5% などのより厳しい要件が必要になる場合があります。{{1}
2. 銅の厚さがインピーダンスに及ぼす影響
銅の厚さ (単位: oz、1oz=35 µm) は、伝送線路の DC 抵抗と AC インピーダンスに影響します。銅を厚くすると抵抗が減り、インピーダンスも低くなります。
銅の厚さが増加すると、インピーダンスが減少します。抵抗と等価インダクタンスが減少し、インピーダンスが減少します。
インピーダンスの計算では銅の厚さを考慮する必要があります。標準的な銅の厚さは一般的に 0.5 オンス (17.5 μ m)、1 オンス (35 μ m)、2 オンス (70 μ m) で、高出力プリント基板では 3 オンス以上の厚さが必要になる場合があります。-
電気めっきは外側の銅層の厚さに影響します。多層基板の外側の銅層の厚さは電気めっきにより増加するため、インピーダンスを計算する際にはこの要素を考慮する必要があります。{0}}
3. 誘電体の厚さ
誘電体の厚さは、信号層と基準グランド/電源層の間の絶縁層の厚さを指します。これは、伝送線路の分布容量とインピーダンスに直接影響します。
誘電体の厚さが増加すると、インピーダンスが増加します。誘電体層が厚くなると、信号と基準面の間の距離が増加するため、インピーダンスが向上します。
製造中の厚さの変動: 積層プロセス中の樹脂の流れと積層構造の安定性により、実際の誘電体の厚さは設計値からずれる可能性があります。したがって、インピーダンスの一貫性を確保するには、積層プロセスを厳密に制御する必要があります。
多層基板における一貫性の問題: -高レベルのプリント基板では、層間絶縁膜の厚さの均一性が非常に重要です。厚さが不均一であると、さまざまな領域でインピーダンスが不均一になり、信号伝送に影響を与えます。
4. 誘電率
誘電率 (Dk) は、誘電体材料内の信号の伝播速度を決定します。プリント基板の一般的な Dk 値は次のとおりです。
FR4標準材：Dk≒4.2～4.7
高速材料 (Rogers 4350B など): Dk ≈ 3.48
超高周波マイクロ波材料 (タコニック RF35 など): Dk ≈ 3.5
インピーダンスに対する Dk の影響は次のように表れます。
Dk が高くなると、インピーダンスが減少します。Dk が増加すると、分布容量が増加し、それによってインピーダンスが減少します。
Dk の周波数依存性: FR4 の Dk は周波数が増加するにつれて減少しますが、Rogers などのハイエンド材料の Dk はより安定しており、高速設計に適しています。-
製造プロセスにおける Dk の一貫性: Dk の安定性を確保するために、プリント基板メーカーは通常、材料調達時に厳密な Dk 公差 (± 0.02 など) を持つ基板を選択し、インピーダンスの偏差を避けるために生産中に Dk テストを実施します。
5. 伝送線路の種類
さまざまなタイプの伝送線路構造がインピーダンスに与える影響は異なります。主に次のようなものがあります。
マイクロストリップライン: 信号配線は最外層に位置し、その下に誘電体層とグランド層があります。インピーダンスの計算は比較的簡単ですが、ソルダーマスク層などの外部要因の影響を受けやすくなります。
リボン ライン: 信号ルーティングは 2 つの誘電体層で囲まれており、誘電体環境がより均一になり、信号の整合性が向上し、高周波アプリケーションに適しています。-
コプレーナ導波路: 信号線の隣にアース線があり、シールド効果を高め、RF およびマイクロ波回路に適しています。
製造プロセスでは、伝送ラインごとに加工精度に対する要件が異なります。たとえば、ストリップ ラインでは誘電体層の厚さをより高度に制御する必要がありますが、コプレーナ導波路では良好なインピーダンス マッチングを確保するためにグランドと信号ラインの間に一貫した間隔が必要です。
6. ソルダーマスク層の影響
マイクロストリップ ライン構造では、はんだマスク層の存在が信号配線の実効誘電率 (Dk-eff) に影響を与える可能性があり、それによってインピーダンスに影響を与える可能性があります。
ソルダーマスク層のないプリント基板のインピーダンスは、信号が空気に直接さらされており、空気の Dk が ≈ 1 であるため、より高くなります。
ソルダーマスク層を備えたプリント基板のインピーダンスは、通常、ソルダーマスク層の Dk が空気の Dk よりも高く (Dk ≈ 3.0 ～ 4.0)、全体のインピーダンスが低下するため、減少します。
インピーダンスに対するソルダーマスクの影響を軽減するために、プリント基板メーカーは配線幅を調整したり、インピーダンス計算でソルダーマスクの Dk を考慮するなどの特別なインピーダンス補正方法を採用したりする場合があります。
7. 層間の位置合わせ精度
多層プリント基板の製造では、層間の位置合わせエラー（層間偏差）がインピーダンスの一貫性に影響を与える可能性があります。-
過度のアライメントのずれは、ストリップラインと差動ペアのインピーダンスマッチングに影響を与え、信号の完全性の問題を引き起こす可能性があります。
高精度の位置合わせ (± 25 µm 以内) により、一貫したインピーダンスを確保できます。これは、ハイエンド通信や RF プリント基板の製造でよく使用されます。-
高度な光学アライメント技術（レーザーアライメントなど）と X 線検出装置の使用により、層間偏差が低減され、インピーダンス制御の精度が確保されます。{0}
8. エッチング工程管理
エッチングはプリント基板製造における重要なステップであり、最終的な線幅、エッジ形状、インピーダンスに影響を与えます。
アンダーカット: 実効線幅が減少するため、インピーダンスが増加します。
線形の最適化: V- 形状や台形のラインなどの高度なエッチング プロセスにより、インピーダンスの変化を低減し、信号の整合性を向上させることができます。