PCBインピーダンスコントロールとは？
PCBインピーダンス制御とは、トレースのインピーダンスを制御することである。このインピーダンスは制御インピーダンスとも呼ばれる。制御インピーダンスとは、PCBトレースとその基準プレーンによって形成される伝送線路の特性インピーダンスのことである。高周波信号がPCB伝送線路を通過する場合、これは重要である。インピーダンスの制御は、シグナルインテグリティの問題を解決するために重要である。シグナル・インテグリティとは、信号が歪みなく伝送されることを意味する。.
回路インピーダンスは、プリント基板の物理的サイズと誘電体材料によって決まります。単位はオーム（Ω）。インピーダンス制御が必要なPCB伝送線路の種類には、シングルエンド・マイクロストリップ、シングルエンド・ストリップライン、差動マイクロストリップペア、差動ストリップラインペア、埋め込みマイクロストリップ、コプレーナー（シングルエンドおよび差動）などがあります。.
インピーダンス制御を実現する一般的な方法
1.PCBレイヤー構造を使用
PCB 設計者は、基板レイヤースタックを使用してインピーダンスを制御することができる。異なる信号層を異なる位置に配置し、層間のキャパシタンスとインダクタンスを制御する。通常、内層は高いインピーダンスを、外層は低いインピーダンスを選択し、反射やクロストークを減らす。.
2.差動信号線を使用する
差動ペアはノイズ除去に優れ、クロストークのリスクも低い。差動ペアとは、2本の平行導体のことです。その電圧は等しく、極性は逆です。差動ペアは、シグナル・インテグリティとノイズ耐性を向上させます。差動ペアのインピーダンスは、間隔、トレース幅、グランドプレーンのレイアウトによって制御される。.
3.コントロールトレース形状
トレースの幅、間隔、レイアウト形状もインピーダンスを制御することができる。一般的なマイクロストリップの場合、トレースの幅を広げ、間隔を広げるとインピーダンスは下がる。同軸タイプの構造では、内部導体を小さくし、外部導体の半径を大きくするとインピーダンスが上がる。目標インピーダンスと信号周波数に基づいてトレース形状を選択する。.
4.PCB材料の選択
PCB材料の誘電率はインピーダンスに影響する。誘電特性の安定した材料を選ぶことは、インピーダンス制御の一部である。高周波や高速用途では、fr4（ガラス・エポキシ）、PTFE（テフロン）、RFラミネートが一般的な材料である。.
5.シミュレーションと設計ツールの使用
最終的なPCBレイアウトの前に、シミュレーションと設計ツールを使ってインピーダンスをチェックし、最適化してください。これらのツールは、回路動作、信号損失、電磁相互作用をシミュレートします。これらのツールは、最適な基板パラメータを見つけるのに役立ちます。一般的なツールには、CST Studio Suite、HyperLynx、ADSなどがある。.
PCB製造がインピーダンスに及ぼす影響
トレース幅
トレース幅は伝送線路のインピーダンスと損失に直接影響する。ほとんどの優秀なエンジニアは、PCBメーカーにトレース幅の許容誤差をガーバーファイルで与えている。例えば、トレース幅が6.2milとして設計され、そのインピーダンスが50Ωである場合、トレース幅を変更する製造の不安定性はインピーダンスを変更します。多くの工場での経験から、トレース幅は10%程度変化することがあります。トレース幅の変化は、10%の標準偏差を持つガウス分布としてモデル化することができます。.
銅箔／メッキ銅厚
PCB製品において、銅の厚さはベース銅の厚さとメッキ銅の厚さの2つの部分があります。ベース銅は比較的均一ですが、メッキ銅の均一性は工場工程に依存します。メッキ銅は工場によって大きく異なる場合があります。メッキ銅の厚さが異なると、トレースのインピーダンスと損失が変わります。インピーダンスは、例えば49.5Ωと51Ωの間など、小さな範囲で変化することがあります。トレース幅に比べ、銅厚はインピーダンスに与える影響が小さい。.
誘電体厚さ
PCB製造において、誘電体厚みの変化は、原材料のばらつき、ラミネーションの圧力、接着剤の充填によって生じます。誘電体の厚みが変化すると、インピーダンスと損失が変化します。ひどい場合には、伝送線路の損失が大きくなります。インピーダンスは約44Ωから54Ωまで変化する。その幅は10 Ωにもなる。.
エッチング係数
導体には有限の厚みがある。エッチング後のトレースは完全な長方形ではありません。台形に近くなります。台形の角度は銅の厚さ（メッキを含む）によって変化します。銅が薄い場合、側壁の角度は 90°に近づきます。角度の大きさはインピーダンスに影響する。例えば、側壁の角度が70° の場合、インピーダンスは約50Ω となる。角度が90°の場合、インピーダンスは約48.37Ωとなる。.
上記のテストでは、一度に1つの要因を変化させる。実際の生産では、複数の変数が一度に変化する。インピーダンスは約40Ωから56Ωまで変化します。これは、50Ω ±10%のような一般的な要件をはるかに超えています。生産中、多くのパラメータがインピーダンスの変化を引き起こします。高速またはハイエンド製品の場合、PCB設計と製造工程は、すべての材料と工程を厳密に管理しなければならない。そうでなければ、製品に予期せぬ問題が生じる可能性がある。.
インピーダンスと特性インピーダンス
1.抵抗力
導体に交流電流が流れるとき、その電流がぶつかる相手をインピーダンス(Impedance)と呼ぶ。記号はZ。単位はやはりオーム（Ω）。この対抗は直流抵抗とは異なる。交流では、抵抗（R）のほかに誘導リアクタンス（XL）と容量性リアクタンス（XC）がある。.
直流抵抗と区別するために、交流対抗インピーダンス（Z）と呼ぶ。.
公式はこうだ：
2.インピーダンス (Z)
ICの高集積化、信号の高周波化、高速化に伴い、PCBトレース上の信号はPCBトレース自体の影響を受ける可能性があります。信号周波数が限界に達すると、トレースは深刻な信号の歪みや損失を引き起こします。これは、PCBトレースが電流だけでなく、パルスや矩形波信号の形でエネルギーを伝送することを示しています。.
3.特性インピーダンス制御（Z0）
信号が移動するときに目にする対向は、特性インピーダンスと呼ばれる。記号はZ0。.
つまり、「オープン」「ショート」「接続性」だけを修正するだけでは不十分なのだ。高速・高周波伝送路では、品質はより厳しくなければならない。オープン／ショート・テストに合格したり、小さな欠陥があるだけでは十分ではありません。Z0を測定し、許容範囲内に収めなければならない。そうでなければ、基板は廃棄しなければならない。手直しはしないでください。.
信号伝播と伝送線路
1.信号伝送路の定義
電磁気理論では、波長（λ）が短いほど周波数（f）が高くなる。その積は光速に等しい。つまり
どのようなデバイスでも、信号の周波数が高いことがあります。信号がPCBトレースを通過した後、信号が遅くなったり遅延したりすることがある。.
だから、トレースの長さは短い方がいい。.
配線密度を上げたり、ワイヤサイズを小さくすることは有効である。しかし、部品周波数が高くなったり、パルス周期が短くなると、トレース長が信号波長の一部に近づくことがある。そうなると、トレースは明らかな歪みを示すようになる。.
IPC-2141の3.4.4項には、「トレース長が信号波長の1/7に近づくと、そのトレースは信号伝送線路として扱われる。.
例
あるデバイスの信号周波数はf = 10MHzである。PCBトレースの長さは50cmです。特性インピーダンス制御は必要でしょうか？
計算する：
1/60は1/7よりはるかに小さいので、このトレースは通常のワイヤーであり、特性インピーダンス制御は必要ない。.
マクスウェルの方程式によれば、媒質中の正弦波の伝搬速度VSは、光速Cと誘電率εrに次のように関係する：
εr=1のとき、信号速度は光速=3×10^10cm/sに等しい。.
2.伝送速度と誘電率
30MHzにおける各素材の信号速度：
| 素材／基板 | Tg (°C) | 誘電率 εr | 信号速度（m/μs） |
|---|---|---|---|
| 真空 | / | 1.0 | 300.00 |
| PTFE（テフロン） | / | 2.2 | 202.26 |
| 熱硬化性ポリフェニレンエーテル | 210 | 2.5 | 189.74 |
| シアン酸エステル | 225 | 3.0 | 173.21 |
| PTFE＋Eガラス | / | 2.6 | 186.25 |
| シアネートエステル＋ガラス | 225 | 3.7 | 155.96 |
| ポリイミド＋ガラス | 230 | 4.5 | 141.42 |
| クォーツ | / | 3.9 | 151.98 |
| エポキシガラス（fr4） | 130±5 | 4.7 | 138.38 |
| アルミニウム | / | 9.0 | 100.00 |
この表は、εrが大きくなるにつれて、材料中の信号速度が低下することを示している。より高い信号速度を得るには、より高い特性インピーダンスを選択する。Z0を高くするには、εrの低い材料を選ぶ。PTFEはεrが最も小さいので、最も速い速度が得られます。.
fr4ボードはエポキシ樹脂＋Eガラスを使用。εrは約4.7。信号速度は138m/μs。樹脂系を変えるとεrが変わる。.
特性インピーダンスを制御する理由
理由1
電子機器（コンピュータ、通信）が動作するとき、ドライバはPCBトレースを通してレシーバに信号を送る。トレースの特性インピーダンスZ0は、ドライバーとレシーバーの電子インピーダンスと一致しなければなりません。一致すれば、信号エネルギーは完全に伝送されます。.
理由2
PCBの品質が悪く、Z0が許容範囲外であれば、信号は反射、散逸、減衰、遅延する。ひどい場合には、信号がおかしくなり、デバイスがクラッシュすることもあります。.
理由3
多層基板のZ0が顧客仕様に適合するためには、厳密な材料選択と工程管理が必要である。電子インピーダンスの高い部品は、通常、より高いPCB Z0を必要とします。正しいZ0を持つ多層基板は、認定された高速または高周波製品です。.
Z0と材料およびプロセスとの関係
マイクロストリップ特性インピーダンスZ0の公式：
どこでだ：
εr - 誘電率
H - 誘電体の厚さ
W - トレース幅
T - トレースの厚さ
εrを下げると、高速部品に合わせてZ0を上げやすくなる。.
1.Z0とεr
Z0はεrに反比例する。Hが大きくなるにつれてZ0は大きくなる。Z0が厳しい高周波ラインでは、誘電体厚みの許容誤差を厳しくする必要があります。通常、誘電体厚さの変化は10%を超えてはなりません。.
2.誘電体厚さ効果
配線密度が高くなると、H が大きくなり電磁干渉が多くなる。高周波・高速デジタル配線では、導体密度が高くなるにつれて誘電体厚さを薄くし、EMIやクロストークを低減するか、εrの小さい材料を使用する。.
式から、銅の厚さTは重要な要素である。Tが大きいほどZ0は低下するが、その変化は小さい。.
3.銅厚効果
銅を薄くするとZ0は高くなりますが、Z0への影響は小さいです。薄い銅を使うことは微細なトレースを作るのに役立ち、これは銅の厚さだけの値よりもZ0をコントロールするのに役立ちます。.
公式より：
W（トレース幅）が小さくなると、Z0は大きくなる。幅を変えることは、厚さを変えることよりもZ0に大きな影響を与える。.
4.トレース幅の効果
幅Wが狭くなるとZ0は急激に増加する。Z0を制御するには、トレース幅を厳密に制御する。今日、ほとんどの高周波および高速デジタル・トレースの幅は0.10mmや0.13mmである。従来、幅の許容差は±20%であった。非伝送ライン・トレース（トレース長<<信号波長÷7）の場合は、±20%で問題ないかもしれない。しかし、Z0制御のトレースでは、±20%の幅誤差では要件を満たすことができない。その場合、Z0誤差は±10%を超えることが多い。.
例
PCBマイクロストリップは幅100μm、厚さ20μm、誘電体厚さ100μm。銅の厚さは均一と仮定します。幅が±20%変化した場合、Z0は±10%を満たすことができますか？
計算式による：
W0＝100μm、W1＝80μm、W2＝120μm、T＝20μm、H＝100μmとする。すると、Z01 / Z02 = 1.20となる。つまり、Z0は±10%以内ではなく、±10%に達するだけである。Z0を±10%以内に収めるには、幅のばらつきを±20%よりずっと小さくしなければならない。Z0≦±5%を得るためには、幅の許容差は≦±10%でなければならない。.
PTFEプリント基板やfr4プリント基板の一部に幅公差±0.02mmが要求されるのはこのためである。Z0を制御するためです。.
特性インピーダンスのプロセス制御
フィルム製造管理および検査
温度・湿度を一定に保ち（21±2℃、55±5%）、クリーンルームを確保し、幅方向の工程補正を行う。.パネルデザイン
パネルエッジは狭すぎないこと。めっきを均一にする。電流を分散させるため、電気めっきでは擬似陰極を使用する。パネルエッジにクーポンを追加してZ0をテストする。.エッチング
アンダーカットを減らすために工程パラメータを制御する。ファーストパス検査を行う。残留銅、銅バリ、銅くずを減らす。トレース幅をチェックし、必要な範囲内（±10%または±0.02mm）に保つ。.AOI検査
内層については、トレース・ギャップと突起を見つける。2 GHzの高速信号では、0.05 mmのギャップでも基板スクラップの原因となる。内層の幅と欠陥をコントロールすることが重要です。.ラミネーション
真空ラミネーションで圧力を下げ、樹脂の流れを少なくする。樹脂はεrに影響するため、樹脂を多めに取っておく。樹脂を多くするとεrが下がることが多い。ラミネーションの厚み公差を管理する。仕上がった基板の厚みが不均一だと、誘電体の厚みが変化し、Z0に影響します。.良い下地を選ぶ
顧客の材料モデルに従ってください。間違ったモデルは間違ったεr、間違った板厚を意味します。Z0はεrに強く依存するため、間違った材料で全工程を行ってもスクラップになります。.はんだマスク（カバーレイ）
理論的には、ソルダーマスクの厚さはあまり厚くすべきではありません。実際には、その影響は大きくありません。ソルダーマスク前は、導体表面は空気（εr = 1）との界面であるため、Z0 の測定値は高くなります。ソルダーマスク後は、ソルダーマスクのεrが約4.0であるため、Z0は1～3Ω低下します。.水分吸収
完成した多層ボードの吸湿を避ける。水分はεr≈75を持つ。水分は大きなZ0降下と不安定性を引き起こす。.
概要
多層基板伝送線路の場合、一般的なZ0制御範囲は以下の通りである：
50 Ω ±10%
75 Ω ±10%
28 Ω ±10%
ばらつきを抑えるには、以下の4つの主な要因を考慮する：
トレース幅 W
トレース厚さ T
誘電体厚さ H
誘電率 εr
最も影響が大きいのは誘電体厚さ H、次に誘電率 εr、次にトレース幅 W、次にトレース厚さ T です。次にトレース幅 W。最も小さいのはトレース厚 T です。Hは制御できますが、それでも変化します。Tはコントロールしやすい。トレース幅Wを±10%以内に制御するのは難しい。ピンホール、ギャップ、へこみなどのトレース問題も重要である。いろいろな意味で、Z0を制御する最も効果的で重要な方法は、トレース幅を正確に制御・調整することである。.