PCB およびソリューションの特性インピーダンスに影響を与える要素

小型化、デジタル化、高周波化、多機能化などの発展要求に対応するため、電子機器の相互接続デバイスとしての PCB (Printed Circuit Board) 上の金属ワイヤは、電流の流れの開口部を決定するだけでなく、としての役割も果たします。信号伝送ライン。つまり、高周波信号や高速デジタル信号を伝送する基板の電気的検査では、回路のオン、オフ、ショートカットを確認する必要があります。一方、特性インピーダンスが規制範囲を超えてはならないことも決定する必要があります。一言で言えば、両方の要件が満たされない限り、回路基板が要件への適合を達成することはありません。

PCB によって提供される回路性能は、信号伝送プロセス中に反射が発生しないことを保証する必要があります。信号は統合されたままです。インピーダンス整合により伝送損失を低減します。その結果、伝送信号は、干渉やノイズなしで、一体的、確実かつ正確に達成されます。この記事では、マイクロストリップ構造を持つ多層基板の特性インピーダンス制御に焦点を当てています。

表面マイクロストリップと特性インピーダンス

特性インピーダンスが高い表面マイクロストリップは、PCB 製造に広く適用されています。信号面は、信号面とそれに隣接するデータム面を分離するために使用されるインピーダンスと絶縁材料を制御する外層に設定されます。これは、下の画像で明確に見ることができます。

特性インピーダンスは、次の式で計算できます。 .

Z₀ 特性インピーダンスを指します。 ε_r 絶縁材料の誘電率; h トレースと基準面の間の絶縁材料の厚さ。 w からトレースの幅まで。 t はトレースの厚さを表します。以下の図は、各パラメーターの意味を明確に示しています。

上記の式に基づいて、特性インピーダンスに影響を与える要素は次のとおりであると結論付けることができます。
a.絶縁材料の誘電率 (ε_r );
b.絶縁材料の厚さ (h);
c.トレースの幅 (w);
d.トレースの厚さ (t)。

さらに、特性インピーダンスは基板材料 (CCL 材料) と密接に関連していると結論付けることができます。したがって、基板材料の選択には多くの考慮事項が必要です。

誘電率とその影響

材料の誘電率は、周波数が 1MHz を下回る場合、材料メーカーによって測定されます。同じ種類の素材でも、製造元が異なると、樹脂の含有量が異なるため、異なる場合があります。エポキシガラスクロスを例にとります。エポキシガラスクロスの誘電率と周波数の関係は下図のようにまとめられます。

明らかに、周波数の向上に伴い誘電率は低下します。したがって、絶縁材料の誘電率は、材料の動作周波数に応じて決定する必要があり、平均値は通常の要件を満たすことができます。誘電率が高くなると信号の伝送速度が遅くなるため、高い信号伝送速度が要求される場合は誘電率を下げる必要があります。さらに、高い伝送速度のために高い特性インピーダンスを確保する必要があり、これは誘電率の低い材料に依存します。

痕跡の幅と太さ

トレース幅は、特性インピーダンスに影響を与える最も影響力のある要素の 1 つです。以下の図 4 は、特性インピーダンスとトレース幅の関係を示しています。

図 4 に基づいて、トレース幅が 0.025mm 変化すると、インピーダンスはその後 5 ～ 6 オーム変化すると結論付けることができます。ただし、実際の PCB 製造では、幅公差 18μm の銅箔を信号プレーンとして選択してインピーダンスを制御すると、トレース幅の許容公差は ±0.015mm になります。幅公差 35μm の銅箔を選択した場合、トレース幅の許容公差は ±0.003mm です。結論として、トレース幅の変化はインピーダンスの劇的な変化につながります。トレース幅は、複数の設計要件に基づいて設計者によって設計され、電流容量と温度上昇の要求を満たすだけでなく、インピーダンスを期待値に導く必要があります。したがって、トレース幅は、設計要件と互換性があり、許容誤差内に収まるようにする必要があります。

必要な電流容量と許容温度上昇に応じてパターンの厚さも決定する必要があります。製造上、コーティングの厚さは一般的に平均25μmです。トレースの厚さは、銅箔の厚さとコーティングの厚さの合計に等しくなります。汚染物質を除去できるように、トレース表面は電気めっきの前にクリーンアップする必要があることに注意してください。そうしないと、トレースの太さが不均一になり、特性インピーダンスに影響を与える可能性があります。

断熱材の厚さ

上で紹介した特性インピーダンスの計算式に基づいて、特性インピーダンスは絶縁材料の厚さ (h) の自然対数に正比例すると結論付けることができます。その後、「h」が大きくなるにつれて、「Z₀」が大きくなります このように、絶縁材料の厚さも特性インピーダンスを決定する重要な要素です。材料のトレース幅と誘電率は製造前に決定されており、トレースの厚さは固体値と見なすことができるため、制御するための主要な方法です。積層の厚さを制御することによる特性インピーダンス. トレースの厚さと特性インピーダンスの関係は、次の図にまとめることができます.

この図から、厚さが 0.025mm 増加すると、特性インピーダンスが 5 ～ 8Ω 変化することがわかります。しかし、PCB 製造プロセスでは、各ラミネートの厚さの変化によって大きな変化が生じる可能性があります。実際には、製造時に絶縁材料としてさまざまな種類のプリプレグが選択され、プリプレグの数によって厚さが決定されます。マイクロストリップを例に取ります。図 3 を使用して、対応する動作周波数に基づいて絶縁材料の誘電率を決定できます。その後、特性インピーダンスを計算できます。その後、トレース幅と特性インピーダンスの計算値に基づいて、図 4 を使用して絶縁材料の厚さを計算できます。これに基づいて、CCL と銅箔の厚さに基づいてプリプレグの種類と数を推測できます。

上記の図5によると、マイクロストリップ構造は、同じ厚さの絶縁材料を適用したスト​​リップライン構造よりも高い特性インピーダンスを備えていることが示されています。その結果、マイクロストリップ構造は、高周波および高速のデジタル信号伝送に適しています。さらに、絶縁材の厚みの向上により特性が向上します。そのため、特性インピーダンスの厳しい高周波回路では、CCL絶縁材の厚さ公差は通常10%以下と厳しいものとなっています。ただし、多層基板の場合、絶縁材料の厚さも製造パラメータであるため、厳密に管理する必要があります。

結論として、トレースの幅、トレースの厚さ、誘電率、および絶縁材料の厚さに関するわずかな変化でさえ、特性インピーダンスの変化につながる可能性があります。これらの要素とは別に、より多くの要素と密接に関連しています。したがって、特性インピーダンスの変化を引き起こす要素を十分に認識し、特性インピーダンスが許容範囲内に収まるように製造パラメータを調整することが、メーカーにとって非常に必要です。

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