高速PCBにおける非機能パッド（NFP）の有無：信号品質への影響を実験で検証

高速信号は通信業界において避けて通れないホットトピックです。伝送情報量と伝送速度の増大に伴い、高速信号の重要性はますます高まっています。高速PCBは高速信号の搭載基板であり、その材料選定、製造技術、配線設計がすべて高速信号の品質に影響を与えます。非機能パッド（NFP）は高速PCB製造における技術的手法の一つであり、挿入損失は信号品質を示す最も重要なパラメータの一つです。NFPを除去するか保持するかは、エンジニアと製造業者の間で避けられない議論の的となっています。本記事では、製造工程の観点からNFPが高速信号の挿入損失に与える影響を実験的に分析し、未使用パッドを除去すべきか保持すべきかの答えを導き出します。

NFPの概要

非機能パッドとは、内層または外層に存在し、その層のいかなるアクティブな導電パターンにも接続されていないパッドのことです。NFPは電気的信号伝送には影響しませんが、孔壁への銅密着性を強化する機能があります。NFPの様子は図1に示す通りです。

NFPを追加することは、PTH（スルーホール銅めっき）工程前の金属接合点を提供することを意味するため、多くの製造業者は多層PCB製造工程においてPTH銅めっきの効果を確実にするためにNFPを追加する傾向があります。

実験設計

本実験では、同一のCCL（銅張積層板）材料を使用します。すべてのPCBは20層で、配線は第3層と第18層に実装されています。NFPあり（案1）とNFPなし（案2）の挿入損失を比較することで、NFPが信号品質に影響するかどうかを検証します。PCB製造工程には多くの不確実要素が存在するため、挿入損失以外の主要パラメータも検査し、他の影響要因が製造に混入しないことを保証します。

影響要素の検査

インピーダンス整合性の検査

信号損失試験において、インピーダンスの不整合により信号反射が発生し、挿入損失の試験結果に影響を与えます。したがって、挿入損失試験の正確さはインピーダンス整合性の品質に直接依存します。案1と案2それぞれについて特性インピーダンス試験を実施し、得られた値を以下の表にまとめました。

試験案	試験層	特性インピーダンス (Ω)
案1	第3層	113.03
案2	第3層	112.71
案1	第18層	111.93
案2	第18層	114.07

上表より、両案のインピーダンス差は5%以内に収まっており、特性インピーダンスが損失試験に与える影響は無視できると結論付けられます。

挿入損失に影響する要素の検査

挿入損失は誘電体損失と導体損失で構成されます。本実験で検証された両案では同一材料と同一レジストパターンが使用されているため、誘電体損失と導体損失の差異はPCB製造工程のみに起因します。以下、それぞれを分析し、製造工程への影響がないことを確認します。

a. 誘電体損失の検査

多層積層における接着シートの使用は樹脂リセスを生じさせ、リセス量の違いが誘電体損失の差を生みます。接着シートの樹脂リセス量の不確実性を排除するため、積層後に断面分析を実施しました。

分析の結果、両案の第3層と第18層のコア厚はそれぞれ139.8μmと135.2μm、積層後の接着シート厚はそれぞれ257.4μmと251.9μmでした。最大厚み差は6μm以内で、製造公差要件を満たしており、誘電体損失による挿入損失への影響はありません。

b. 導体損失の検査

導体損失は、試験回路における配線の長さと幅、表面粗さ、製造工程での側面エッチングに関連します。両案では回路設計が同一のため配線長の影響は排除されます。ブラウン効果、エッチング液濃度、水圧などが表面粗さに影響するため、これらの複雑な要素を避けるため、最終結果から直接回路の整合性を判断します。

実験の結果、案1と案2での伝送線幅はそれぞれ168μmと166μm、伝送線高さは18.3μmと18.9μm、表面粗さはともに2.5μmでした。すべてのデータが伝送線製造における導体損失がほぼ同等であることを示しており、導体損失が挿入損失に与える影響は排除できます。

NFPの影響分析

誘電体損失と導体損失の発生源、および挿入損失の発生原理から出発し、PCB製造の整合性について一連の検査を実施することで、両案の唯一の変数がNFPであることを確認しました。IPC-TM650-2.5.5.12のFD（周波数領域）法に従い、案1と案2を試験し、結果を図2に示します。

唯一の変数であるNFPの影響により、信号挿入損失へのNFPの影響を概ね判断できます。案1はNFPを除去、案2はNFPを保持しています。図より、第3層でも第18層でも、案1の挿入損失試験結果は案2よりすべて小さく、NFPを追加すると信号挿入損失が増大することがわかります。

本実験に基づくと、両案の挿入損失差は約9%で維持されています。図3は、ある有名通信端末材料の一次グレーディングを示しています。

図3より、すべてのランクの材料間でごくわずかな挿入損失差しか存在しないことがわかります。本実験で検査された挿入損失が閾値カテゴリ内にある場合、NFPにより材料グレードが低下し、材料メーカーからエンドユーザーまでの生産ライン全体に大きな影響を与えます。

結論

高速PCBにおいて、多層化は避けられない発展トレンドであり、スルーホール製造が最初の課題となります。NFPはPCBビア壁のPTH銅めっきを大幅に改善し、ビア銅の剥離やビア壁クラックなどの品質問題を防止する効果的な役割を果たします。他の影響要素を排除し、NFPという変数のみを考慮して挿入損失への影響を分析したことで、高速PCB設計における材料メーカー、PCBメーカー、端末メーカーへの参考指針を提供できます。

参考資料

• ビアインパッド（VIP）技術の紹介
• 高速レイアウトのヒント
• EMI影響を低減する高速PCB配線技術
• 組み込み応用システムにおける高速PCB設計の研究
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応