高周波PCBにおけるビアインピーダンス最適化による信号品質向上

ビアは、多層PCB（プリント基板）の異なる層間でトレースを接続する導体として機能します。低周波の場合、ビアは信号伝送に影響を与えません。しかし、周波数が上昇（1GHz以上）し、信号立ち上がりエッジが急峻になる（1ns以下）と、ビアを単なる電気的接続機能と見なすことはできず、信号品質へのビアの影響を慎重に考慮する必要があります。ビアは伝送線路上の不連続インピーダンスを持つブレークポイントとして振る舞い、信号反射を引き起こします。しかし、ビアによってもたらされる問題は、寄生容量と寄生インダクタンスに集中します。ビア寄生容量の回路への影響は主に信号立ち上がり時間の延長と回路動作速度の低下です。一方、寄生インダクタンスはバイパス回路の寄与を弱め、電源システム全体のフィルタリング機能を低下させます。本記事では、ビアインピーダンス制御が信号品質にどう影響するかを実証し、回路設計へのアドバイスを提供します。

ビアによるインピーダンス連続性への影響

ビア存在時と不在時のTDR（タイムドメイン反射計）曲線によると、ビア不在時に明確な信号遅延が発生します。ビア不在時、第2テストホールへの信号伝送時間は458psであるのに対し、ビア存在時は480psです。したがって、ビアにより信号は22ps遅延します。

信号遅延は主にビアの寄生容量によるもので、以下の式で算出されます：

この式において、D₂はグランド上のパッド径（mm）、D₁はビアのパッド径（mm）、TはPCB基板厚（mm）、εᵣは基板誘電率、Cはビアの寄生容量（pF）を指します。

この議論におけるビア長は0.96mm、ビア径0.3mm、パッド径0.5mm、誘電率4.2で、上記式に代入すると、計算された寄生容量は約0.562pFとなります。抵抗50Ωの信号伝送線路の場合、このビアによる信号立ち上がり時間の変化量は以下の式で算出されます：

上式に基づき、ビア容量による立ち上がり時間変化は30.9psで、実測結果（22ps）より9ps長く、理論値と実測値に変動があることがわかります。

結論として、ビア寄生容量による信号遅延はそれほど顕著ではありません。しかし、高速回路設計では、配線でビアを多重適用する層変換に特に注意を払うべきです。

寄生容量と比較して、ビアが持つ寄生インダクタンスの方が回路により大きな損害を与えます。ビア寄生インダクタンスは以下の式で算出できます：

この式において、Lはビアの寄生インダクタンス（nH）、hはビア長（mm）、dはビア径（mm）を指します。ビア寄生インダクタンスによって生じる等価インピーダンスは以下の式で算出できます：

テスト信号の立ち上がり時間は500psで、その等価インピーダンスは4.28Ωです。しかし、ビアによるインピーダンス変化は12Ω以上に達し、実測値が理論計算値と極端に異なることが示されます。

ビア径がインピーダンス連続性に与える影響

一連の実験によれば、ビア径が大きいほど、ビアが引き起こす不連続性が大きくなることが結論付けられます。高周波・高速PCB設計プロセスでは、インピーダンス変化は通常±10%の範囲内で制御され、これを超えると信号歪みが生じる可能性があります。

パッドサイズがインピーダンス連続性に与える影響

寄生容量は高周波信号帯域内の共振点に極めて大きな影響を与え、帯域幅は寄生容量に伴ってシフトします。寄生容量に影響を与える主要因はパッドサイズで、信号品質に同等の影響を持ちます。したがって、パッド径が大きいほど、ビアによって引き起こされるインピーダンス不連続性が大きくなります。

パッド径が0.5mm〜1.3mmの範囲で変化すると、ビアによるインピーダンス不連続性は継続的に減少します。パッドサイズが0.5mmから0.7mmに増加すると、インピーダンスは比較的大きな変化振幅を示します。パッドサイズがさらに増加し続けると、ビアインピーダンス変化は滑らかになります。したがって、パッド径が大きいほど、ビアによって引き起こされるインピーダンス不連続性は低くなります。

ビア信号のリターンパス

リターン信号電流の基本原則は、高速リターン信号電流が最小インダクタンス経路に沿って流れることです。PCB基板には複数のグランドプレーンが含まれるため、リターン信号電流は信号線の直下、信号線に最も近いグランドプレーンに直接沿って流れます。ある点から別の点への全信号電流が同じプレーンを流れる状況で、信号をビアを通じてある点から別の点へ移動させる場合、グランド接続が達成されないとリターン信号電流はジャンプできません。

高速PCB設計では、ビア信号電流にリターンパスを提供してインピーダンスミスマッチを解消できます。ビア周辺にグランドビアを設計し、信号ビアとグランドビアの間にインダクタンスループを生成することで、信号電流のリターンパスを提供します。ビアの影響でインピーダンス不連続性が生じても、電流はインダクタンスループに向かって流れ、信号品質が向上します。

ビアの信号品質

Sパラメータを用いてビアの信号品質への影響を評価できます。これは、損失、減衰、反射などチャネル内の全成分の特性を表します。本記事で活用された一連の実験によれば、グランドビアは伝送損失を低減でき、ビア周辺のグランドビアが多いほど伝送損失が低くなることが示されています。ビア周辺へのグランドビア追加は、ビアによる損失をある程度低減できます。

本記事で示された議論に基づき、以下の2つの結論が導けます：
a. ビアによるインピーダンス不連続性は、ビア径とパッドサイズに影響されます。ビア径とパッド径が大きくなるほど、引き起こされるインピーダンス不連続性はより深刻になります。ビアによるインピーダンス不連続性は通常、パッドサイズの増加とともに低下します。
b. グランドビア追加は、ビアインピーダンス不連続性を±10%の範囲内で制御できるほど顕著に改善できます。さらに、グランドビア追加は信号品質も顕著に向上させます。

厳格なインピーダンス制御を伴うPCB製造サービスが必要ですか？PCBCartが対応します！

PCBCartは、お客様の要件に応じて制御インピーダンスを持つプリント基板を製造可能です。当社のインピーダンス公差は±5%〜±10%です。下記ボタンをクリックして、インピーダンス制御付きオンラインPCB製造コストを取得してください。

参考資料
• PCB特性インピーダンスに影響する要素と解決策
• 高速デジタル回路PCB設計におけるインピーダンス制御
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス
• 効率的な基板製造のためのPCB設計ファイル要件
• PCBメーカーまたはPCB組立業者の評価方法