PCB設計における5%のインピーダンス許容差の実現：材料から製造まで

インピーダンス制御とは、簡単に言えば、プリント基板（PCB）上を電気信号が歪みや反射なくスムーズに流れるようにすることです。これは、高速道路の車線を均一に保ち、路面を平坦に保つことで、車が揺れたり急ハンドルを切ったりすることなく安定して走行するのと似ています。5G通信、AIサーバー、車載電子機器、医療機器といった高速・高周波アプリケーションでは、信号の整合性と信頼性を保証するために、正確なインピーダンス制御が不可欠です。

インピーダンスの種類

シングルエンドインピーダンス：シングルエンドインピーダンスとは、基準面（通常はグラウンドまたは電源）に対する単一の信号トレースのインピーダンスを指します。デジタル回路やクロック信号伝送でよく見られます。

差動インピーダンス：差動インピーダンスは、相補的な信号（正と負）を伝送する一対のトレースによって形成されます。この構成は優れたノイズ耐性と電磁放射の低減を実現するため、USB、HDMI、LVDS、PCIe、5G通信インターフェースに最適です。差動インピーダンスの制御は、トレース幅と誘電体の厚さだけでなく、トレース間隔、平行度、製造の一貫性にも依存するため、シングルエンドよりも複雑です。

コプレーナ導波路インピーダンスとマイクロストリップ／ストリップラインインピーダンス：コプレーナ導波路はRF回路でよく用いられます。信号線路の両側にグランドプレーンを配置することで、電磁場の分布をより適切に制御します。マイクロストリップラインはPCB表面に配置され、空気と誘電体の両方を媒体とします。2つの基準プレーンの間に埋め込まれたストリップラインは、高速かつ高信頼性の信号伝送に適しています。

インピーダンスに影響を与える主な要因

材料の選択

材料の誘電率（Dk）と誘電正接（Df）は、信号の伝播速度と減衰に直接影響します。標準的なFR4はほとんどの多層PCBに適しています。高周波・高速アプリケーションでは、RogersやMegtronなどの材料がより安定したDkと低いDfを提供します。SprintPCBは、お客様の要件とアプリケーション環境に基づいて材料を選定し、信頼性の高いインピーダンス特性を徹底的に確保します。

トレース幅と間隔

インピーダンスは配線形状に非常に敏感で、わずか数マイクロメートルのばらつきでも設計目標からの逸脱につながる可能性があります。そのため、製造工程では配線幅と間隔を厳密に管理する必要があり、極めて安定したエッチングプロセスが求められます。エッチングの過剰または不足は配線幅を変化させ、インピーダンスに影響を与える可能性があります。SprintPCBは、高精度LDIレーザー露光装置と自動エッチングシステムを採用することで、ばらつきを最小限に抑え、インピーダンスの一貫性を確保しています。

誘電体の厚さ

ラミネーション工程では、温度や圧力曲線の偏差によって誘電体の厚さが変化すると、インピーダンス値が変動する可能性があります。SprintPCBは、精密なラミネーション曲線制御により、層全体にわたって誘電体の厚さを均一に保ち、量産時でも安定したインピーダンスを実現します。

銅の厚さと表面仕上げ

銅の厚さと表面仕上げもインピーダンスに影響を与えます。例えば、35μmの銅層と18μmの銅層では、インピーダンス値が大きく異なります。ENIGや電気めっきなどの表面仕上げは表面形態をわずかに変化させ、信号伝送に微妙な影響を与えます。SprintPCBはめっきと仕上げのプロセスを厳密に管理し、TDR（時間領域反射率測定）試験を用いて結果を検証することで、測定されたインピーダンスが設計目標と一致することを確認しています。

インピーダンス制御を実現する方法

差動ペアの使用

差動信号伝送は、広く採用されているインピーダンス制御方法です。正負のペアで信号を伝送することで、ノイズ耐性が向上し、EMIが低減されます。SprintPCBは、トレース間隔、幅、誘電体の厚さを精密に制御することで、差動インピーダンスの一貫性を確保します。

トレース幅と間隔の管理

目標インピーダンスを実現するには、正確なトレース幅と間隔が不可欠です。設計者は、インピーダンス計算ツールやシミュレーションツールを用いて、誘電率、銅箔厚、基準面を考慮する必要があります。形状の一貫性はクロストークを低減し、シグナルインテグリティを維持します。SprintPCBのLDI露光と自動エッチングは、設計パラメータを忠実に再現し、再現性の高いインピーダンス制御を実現します。

グランドプレーンと基準プレーンの使用

グランドプレーンとリファレンスプレーンは、インピーダンスの安定性に重要な役割を果たします。グランドプレーンは信号のリターンパスを提供し、インピーダンスを一定に保ちます。リファレンスプレーンは均一な電位基準を確立し、信号整合性を高めます。最適化されたスタックアップ設計と層間隔の制御により、PCB全体のインピーダンスを効果的に管理できます。

材質と銅の厚さの制御

インピーダンスを低減するには、多くの場合、材料特性と配線形状の調整が必要です。誘電率（Dk）の低い材料は信号伝播を高速化し、インピーダンスを低減します。配線幅と銅厚を調整することで、インピーダンスを微調整できます。銅厚が厚くなると、インダクタンスが減少し、静電容量が増加するため、インピーダンスは低下します。そのため、銅の慎重な管理が不可欠です。

SprintPCBの製造工程 では、エンジニアリングチームがお客様のインピーダンス目標に基づいて精密なスタックアップモデルを開発し、トレース幅、間隔、層構成を最適化します。製造工程では、輸入した高平坦性プレス機と鋼板を用いて厳密な積層管理を行い、平坦度0.02 mm/m²以内、誘電体厚さ公差5%以内を実現しています。酸エッチングにより、エッチング係数4～6で滑らかな側壁を実現し、寸法ばらつきを最小限に抑えます。高精度TDRテストにより、最終的なインピーダンス値が厳しい公差範囲内に収まることが保証され、バッチ間で信頼性と再現性のあるパフォーマンスを保証します。