高速 PCB のビア内に非機能パッドを除去または保持する必要がありますか?

高速信号は、通信業界にとって避けることのできないホットなトピックです。伝送される情報量と伝送速度の増加に伴い、信号の高速化がますます重要になってきています。高速 PCB は高速信号のロード ボードであり、その材料の選択、製造技術、配線設計のすべてが高速信号の品質に影響します。 Non-Functional Pad (別名 NFP) は高速 PCB を製造する技術的手法であり、挿入損失は信号品質を示す最も重要なパラメーターの 1 つです。 NFP を削除するか保持するかは、エンジニアとメーカーの間で避けられない議論のトピックでした。この記事では、高速信号の挿入損失に対する NFP の影響を製造手順の観点から実験的な方法で分析し、未使用のパッドを削除するか残すかの答えを導きます。

NFP の紹介

非機能パッドは、レイヤー上のアクティブな導電パターンに接続されていない、内部レイヤーまたは外部レイヤー上のパッドです。 NFP は電気信号の伝送に影響を与えませんが、穴壁への銅の付着を強化することができます。 NFP は下の図 1 に表示できます。

NFP を追加することは、PTH (メッキ スルー ホール) 銅の前に金属接続点を提供することを意味するため、多くのメーカーは、多層 PCB 製造のプロセスで PTH 銅のより良い効果を確保するために NFP を追加する傾向があります。

実験計画

この実験では、同じ CCL (Copper Clad Laminate) 材料が選択されています。すべての PCB には 20 層が含まれており、配線は 3 番目と 18 番目の層に実装されています。挿入損失は、NFP の追加 (スキーム 1) と NFP の削除 (スキーム 2) の間で比較でき、NFP が信号品質に影響を与えるかどうかを確認できます。 PCB 製造プロセスには多くの不確実な要素が存在するため、他の影響要素が製造に混入しないことを保証するために、挿入損失とは別に重要なパラメータを検査する必要があります。

要素の検査に影響を与える

• インピーダンス整合性検査

信号損失試験では、インピーダンスの不一致により信号反射が発生しやすく、最終的に挿入損失の試験結果に影響を与えます。その結果、挿入損失テストの正確性は、インピーダンスの一貫性の質に直接依存します。特性インピーダンス試験は、スキーム 1 とスキーム 2 に従ってそれぞれ実施され、得られた特性インピーダンス値は下の表にまとめられています。

テストスキーム	テストレイヤー	特性インピーダンス (オーム)
スキーム 1	3 番目のレイヤー	113.03
スキーム 2	3 番目のレイヤー	112.71
スキーム 1	18 番目のレイヤー	111.93
スキーム 2	18 番目のレイヤー	114.07

上記の表に基づいて、インピーダンスの差が 2 つの方式の間で 5% 以内に収まることがわかり、損失試験に対する特性インピーダンスの影響は無視できるという結論が得られます。

• 挿入損失検査に影響する要素

挿入損失は、誘電損失と導体損失から構成されます。この実験で検査された 2 つのスキームでは、同じ材料とライト ペインティング グラフィックスが適用されているため、誘電損失と導体損失は PCB 製造にのみ起因します。次に、PCB 製造に影響を与えないように、両方の項目をそれぞれ分析します。

a.誘電損失検査

接着シートを多層に重ねて使用すると、樹脂のへこみが発生し、樹脂のへこみ量が異なると誘電損失に差が生じます。接着シートの樹脂後退量の不確かさについては、樹脂後退量の違いによる影響を完全に排除するために、積層後にX断面解析を実施する必要があります。

分析を通じて、2 つのスキームの上層と下層のコアの厚さはそれぞれ 139.8 μm と 135.2 μm であることが要約できます。積み上げ後の接着シートの厚みは、それぞれ257.4μmと251.9μmです。最大厚さの差は 6μm 以内に収まり、製造公差要件に対応し、誘電損失による挿入損失への影響はありません。

b.導体損失検査

導体損失は、ラインの長さと幅、表面粗さ、およびテスト回路の PCB 製造プロセス中の横方向の浸食に関連しています。この実験の 2 つのスキームでは、回路設計は同じであり、線路長の影響は排除されています。ブラウン効果、エッチング液の濃度、水圧のすべてが表面粗さに影響を与えます。これらの複雑な要素を回避するために、回路の整合性は最終結果から直接判断されます。

実験により、スキーム１とスキーム２を適用した伝送線路幅はそれぞれ１６８μｍと１６６μｍ、伝送線路高さは１８．３μｍと１８．９μｍであることが測定された。表面粗さはいずれも2.5μmを維持。すべてのデータは、導体損失が伝送線路の製造に関して基本的に類似しているため、挿入損失に対する導体損失の影響を排除できることを示しています。

NFP 影響分析

誘電損失と導体損失の発生源から始まり、挿入損失の発生原理と相まって、一連の検査が PCB 製造の一貫性の観点から実施され、2 つの方式で NFP という 1 つの変数のみが発生することを確認します。 IPC-TM650-2.5.5.12 の FD (Frequency Domain) メソッドに従って、スキーム 1 とスキーム 2 がテストされ、結果が下の図 2 に表示されます。

唯一の変数である NFP の結果として、信号挿入損失に対する NFP の影響をおおよそ判断することができます。スキーム 1 は NFP を削除しますが、スキーム 2 は NFP を保持します。上の図からわかるように、レイヤ 03 またはレイヤ 18 のいずれかで、方式 1 の挿入損失テスト結果は方式 2 の結果よりもすべて小さく、NFP を追加すると信号の挿入損失が強化されることがわかります。

この実験に基づくと、挿入損失の差は 2 つのスキーム間で約 9% を維持しています。図 3 は、有名な通信端末資料のプライマリ グレーディングです。

図 3 に基づくと、すべてのランクの材料間で挿入損失の差がほとんどないことがわかります。この実験で検査された挿入損失がちょうどしきい値の範疇に入ると、NFP によって材料グレードが低下し、材料メーカーから最終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 に関して言えば、多層 PCB は必然的な開発トレンドであり、スルー ビア製造が最初の問題です。 NFP は、PCB ビア ウォールの製造工程で PTH 銅を大幅に改善し、ビア 銅の脱落を防止し、ビア ウォール クラックなどの品質問題に対処するのに効果的な役割を果たします。他の影響要素を排除して、この記事では NFP の変数を考慮し、挿入損失に対する NFP の影響を分析して、高速 PCB 設計に関して材料メーカー、PCB メーカー、および端子メーカーに参考資料を提供できるようにします。

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