PCB特性インピーダンスに影響する主要因子と実践的解決策

小型化、デジタル化、高周波化、多機能化といった開発要件に適合するため、電子機器における相互接続デバイスとしてのPCB上の金属配線は、電流流通の開閉を決定するだけでなく、信号伝送線としての役割も果たします。つまり、高周波信号と高速デジタル信号を伝送するPCBで実施される電気テストは、一方で回路の導通、遮断、ショートを確認する必要があり、他方で特性インピーダンスが規制範囲を超えないことを決定する必要があります。一言で言えば、両要件を満たさない限り、基板は要件適合を達成できません。

PCBが提供する回路性能は、信号伝送プロセスで反射が発生しないこと、信号が整合性を保つこと、伝送損失がインピーダンスマッチング達成により低減されることを保証しなければなりません。その結果、干渉やノイズなしに伝送信号を完全に、確実に、正確に達成できます。本記事は、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ます。

表面マイクロストリップと特性インピーダンス

高い特性インピーダンスを持つ表面マイクロストリップは、PCB製造で広く採用されています。信号プレーンをインピーダンス制御用の外層に設定し、絶縁材料で信号プレーンと隣接基準プレーンを分離します。これは下図で明確に見られます。

特性インピーダンスは式： で算出できます。

ここで、Z₀は特性インピーダンス、εᵣは絶縁材料誘電率、hはトレースと基準プレーン間の絶縁材料厚、wはトレース幅、tはトレース厚を指します。下図は各パラメータの意味を明確に示します。

上記式に基づくと、特性インピーダンスに影響する要素には：
a. 絶縁材料誘電率（εᵣ）
b. 絶縁材料厚（h）
c. トレース幅（w）
d. トレース厚（t）

特性インピーダンスが基板材料（CCL材料）と密接に関連しているとさらに結論付けられます。したがって、基板材料選定には多くの考慮が必要です。

誘電率とその影響

材料誘電率は、周波数が1MHz以下のとき材料メーカーによって測定されます。異なるメーカーで製造される場合、同じタイプの材料でも異なる樹脂含有量により互いに異なる可能性があります。エポキシガラスクロスを例に取ると、エポキシガラスクロスの誘電率と周波数の関係は以下の図にまとめられます。

明らかに、誘電率は周波数向上とともに低下します。したがって、絶縁材料誘電率は材料動作周波数に基づいて決定すべきで、平均値で通常の要求を満たせます。信号伝送速度は誘電率上昇とともに低下するため、高い信号伝送速度が要求される場合、誘電率を低下させる必要があります。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、これは低誘電率材料に依存します。

トレース幅と厚さ

トレース幅は特性インピーダンスに影響する最も影響力のある要素の1つで、図4は特性インピーダンスとトレース幅の関係を示します。

図4に基づくと、トレース幅が0.025mm変化すると、インピーダンスはその後5〜6Ω変化します。実用的なPCB製造では、しかし、信号プレーンとして幅公差18μmの銅箔を選択してインピーダンス制御する場合、許容トレース幅公差は±0.015mmです。幅公差35μmの銅箔を選択する場合、許容トレース幅公差は±0.003mmです。結論として、トレース幅変化はインピーダンスの劇的な変化をもたらします。トレース幅は設計者が複数設計要件に基づいて設計し、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、許容公差内にあることを確保しなければなりません。

トレース厚も、要求電流容量と許容温度上昇に基づいて決定する必要があります。製造では、メッキ厚は一般に平均25μmです。トレース厚は銅箔厚とメッキ厚の合計です。電気メッキ前にトレース表面を清掃し、汚染物質を除去すべきであることに注意。そうでないと、トレース厚が不均一になり、特性インピーダンスに影響する可能性があります。

絶縁材料厚さ

上記特性インピーダンス算出式に基づくと、特性インピーダンスは絶縁材料厚（h）の自然対数に直接比例します。したがって、「h」が大きくなるほど「Z₀」も大きくなります。つまり、絶縁材料厚も特性インピーダンスを決定する重要な要素です。トレース幅と材料誘電率が製造前に決定され、トレース厚を固定値と見なせるため、ラミネーション厚を制御することで特性インピーダンスを制御するのが主要手法です。トレース厚と特性インピーダンスの関係は以下の図にまとめられます。

この図から、厚さが0.025mm上昇すると、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、各ラミネート厚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、製造では異なるタイプのプリプレグが絶縁材料として選択され、厚さはプリプレグ枚数で決定できます。マイクロストリップを例に取ると、図3で対応動作周波数に基づく絶縁材料誘電率を決定し、その後特性インピーダンスを算出。その後、トレース幅と算出特性インピーダンス値に基づき、図4で絶縁材料厚を算出。それに基づき、CCL厚と銅箔厚に基づいてプリプレグタイプと枚数を導出できます。

上記図5によれば、同じ厚さの絶縁材料を適用した場合、マイクロストリップ構造はストリップライン構造より高い特性インピーダンスを持ちます。その結果、マイクロストリップ構造は高周波・高速デジタル信号伝送で優先されます。さらに、特性インピーダンスは絶縁材料厚の改善とともに上昇します。したがって、厳格な特性インピーダンスを持つ高周波回路では、CCL絶縁材料厚は通常10%以下の厳しい公差を維持する必要があります。多層基板では、しかし、絶縁材料厚も製造パラメータであるため、同様に厳密に制御すべきです。

結論として、トレース幅、トレース厚、誘電率、絶縁材料厚のわずかな変化でも特性インピーダンスの変化をもたらします。これらの要素以外にも、さらに多くの要素と密接に関連しています。したがって、メーカーが特性インピーダンス変化を引き起こす要素を完全に把握し、製造パラメータを調整して特性インピーダンスを許容範囲内に維持することは極めて重要です。

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参考資料：
• 高速デジタル回路PCB設計におけるインピーダンス制御
• PCB設計におけるビアインピーダンス制御と信号品質への影響
• フレックスリジッドPCBのインピーダンス設計考慮事項
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