フレックスリジッドPCBのインピーダンス設計重要戦略

電子製品の急速な発展に伴い、市場はフレックスリジッドPCB（プリント基板）とインピーダンス制御PCBに対して、同時にますます高い要求を出し、それらへの要求もますます厳格になっています。インピーダンス要求のあるフレックスリジッドPCBが直面する主要問題は、実測値と設計値の差が20Ω以上と大きく、設計補償が失敗し、製造管理が困難になることです。本記事は主にPCB設計の観点から、いかに厳格なインピーダンス制御精度を満たすかを議論し、PCB製造業界に従事するスタッフにとって有益であることが期待されます。

インピーダンス制御分析

インピーダンスに影響を与える主要因子は、誘電率、媒質厚、配線幅、銅厚です。

断面解析に基づき、実践的な断面データをモジュールに適用すると、計算値とインピーダンス測定器で得られた実測値の差は14Ω〜33Ωの範囲にあり、以下の表にまとめられています。

理論値 (Ω)	実測値 (Ω)	差 (Ω)
113	143	30
109	134	25
95	112	17
93	107	14
120	153	33
110	139	29
96	119	23
95	116	21
125	153	28
110	141	31
100	123	23
90	110	20
124	151	27
112	137	25
104	123	19
95	113	18

上記の差に基づき、理論値と実測値の差が大きすぎるのは、以下の理由が考えられます：

エンジニアリング設計時に、アクセスがソフトウェアパラメータに誤って代入されている。

インピーダンスに影響する因子と断面データによれば、おそらく誘電率のみが不正確なアクセスをもたらします。誘電率の複合概念によれば、PCB基板材料の誘電率は、基板材料中の誘電体材料の誘電率の総合結果であり、誘電体材料中の樹脂の誘電率と強化材の誘電率の加重和で概算できます。フレキシブル材料の場合、接着剤とPI（ポリイミド）で構成されるため、フレキシブル材料の誘電率は接着剤とPIの両方の総合誘電率となります。

測定モジュール設計がPCBに対して不適切である。

インピーダンス設計プロセスでは、インピーダンスライン測定は通常伝送線設計と参照プレーンを含み、参照プレーンの銅エッジとインピーダンスラインの間に一定の距離が維持されることを保証すべきです。この状況では、距離がわずか0.5mmであり、短すぎてこの参照プレーンが完全に無視される可能性があります。

・実験スキーム

ステップ1：エンジニアリングデータを設計し、それぞれ検証：
i. 伝送銅箔を測定モジュールに追加するかしないかでのインピーダンスへの影響。
ii. 測定モジュール内での参照プレーン銅箔エッジとインピーダンスラインの距離がインピーダンスに与える影響。設計エッジとインピーダンスラインの水平距離をそれぞれ0.5mmと4.5mmとする。
iii. 測定モジュールの参照プレーンとしてグリッド参照プレーンと銅箔参照プレーンを設計した場合のインピーダンスへの影響。

ステップ2：フレキシブル基板を製造し、フレキシブル基板のインピーダンスを測定。

ステップ3：断面アクセスをモジュールの理論インピーダンス計算に代入し、誘電体材料の総合誘電率に基づいて算出することで、アクセスによる誤差を排除。

ステップ4：データ比較により結論を導出：パラメータアクセス方法と測定モジュールの設計規定。

・実験結果

1. 測定モジュールへの伝送銅箔の追加あり/なしの実験スキームに従い、元の測定データではインピーダンスの差が非常に小さい。したがって、伝送銅箔を追加しても追加しなくてもインピーダンスに影響を与えないと結論付けられる。
2. 参照プレーン銅箔エッジとインピーダンスラインの距離に基づく実験スキームに従い、インピーダンス差が非常に小さい。したがって、参照プレーン銅箔エッジとインピーダンスラインの距離はインピーダンスに影響しないと結論付けられる。
3. 測定モジュール参照プレーンとしてグリッドと銅箔モデルを設計した実験スキームに従い、測定モジュール参照プレーンを銅箔とグリッドに設計すると、インピーダンスが劇的に影響されることが結論付けられる。
4. 異なる配線幅、グリッドと銅箔モデルの異なるサイズに関する実験スキームに従い、グリッドを参照プレーンとして設計すると、銅残存率に関連することが結論付けられる。銅残存率が高いほど、銅箔インピーダンスとの差は小さくなる。銅残存率が低いほど、銅箔インピーダンスとの差は大きくなる。したがって、グリッドを参照プレーンとして使用する場合、対応するインピーダンスライン位置と互換性のある参照場所に銅を張るべきである。
5. 実践的な設計測定モジュールに従い、断面アクセスをモジュールに代入して理論インピーダンスを算出し、実測インピーダンスと比較。フレキシブル材料は接着剤とPIで構成されるため、フレキシブル材料の誘電率は両成分の総合誘電率であるか、インピーダンス計算ソフトウェアの適用により単一誘電率が取得される。前の実験結果に基づき、PIの誘電率は2.8、接着剤は3.5と結論付けられる。したがって、データをソフトウェアに代入して計算すると、誘電率精度が検証される。

フレックスリジッドPCB設計者のインピーダンス設計への考慮事項

考慮事項#1：参照プレーンはグリッド参照プレーンと銅箔参照プレーンとするべき

上記実験結果に基づき、銅箔参照プレーンベースのエンジニアリング設計は、フレックスリジッドPCBのインピーダンス要求を満たせることが結論付けられます。グリッド参照プレーンを設計する場合、グリッドが大きいほど、最小銅残存率でのグリッドインピーダンスと銅箔インピーダンスの差が大きくなり、グリッドが小さいほど、最大銅残存率でのグリッドインピーダンスと銅箔インピーダンスの差が小さくなります。
結論として、参照プレーンとしてのグリッド設計はグリッドサイズ、すなわち銅残存率と密接に関連します。銅残存率が高いほど、銅箔インピーダンスと理論設計データとの差は小さくなります。銅残存率が低いほど、銅箔インピーダンスと理論設計データとの差は大きくなります。その結果、グリッドを参照プレーンとして選択する場合、対応するインピーダンスライン位置と互換性のある参照プレーンに銅を張るべきです。

考慮事項#2：フレックスリジッドPCBインピーダンスは、インピーダンス計算ソフトウェアの追加機能に依存して設計すべき

通常のインピーダンス計算ソフトウェアと比較して、追加機能付きインピーダンス計算ソフトウェアは、各媒質層のアクセス取得機能を含み、アクセス取得においてより正確に機能します。さらに、実践的な状況をシミュレートしやすく、エンジニアリング設計により便利に適用できます。

考慮事項#3：フレックスリジッド基板の各単層の誘電率を取得すべき

全スケール実験に基づき、PIの誘電率は2.8、接着剤は3.5であることが検証でき、これはフレックスリジッド基板設計者の参考になります。追加機能付きインピーダンス計算ソフトウェアの適用による理論データ計算は、フレックスリジッドPCB顧客の要求を満たせます。

PCBCartは厳格なインピーダンス制御でフレックスリジッドPCBを製造可能

2005年設立以来、PCBCartは品質保証されたフレックスリジッドPCB製造サービスを提供してきました。フレックスリジッド基板の各ピースについて厳格なインピーダンス制御を提供できます。フレキシブルリジッドPCB製造が必要な場合は、こちらからお問い合わせください。実用的でコスト効率の良いソリューションを提供します。

参考リソース
・高速PCB電源インピーダンスの分析と禁止方法
・PCB特性インピーダンスに影響する要素と解決策
・PCBCartは1個から先進的なフレックスリジッドPCB製造サービスを提供