インピーダンス制御PCB設計：スタックアップ、仕様、試験

インピーダンス制御とは、PCB配線の特性インピーダンスが指定された目標値と許容差を満たすように設計・製造することです。その結果は、導体の形状、誘電体の構成、基準面によって決まります。また、完全な要件には、製造後の構造をメーカーがどのように検証するかも記載します。

「50 Ω」とだけ記載しても、重要な決定事項が未確定のままです。どのネットと層が対象ですか。目標値はシングルエンドですか、それとも差動ですか。製造業者が配線幅を変更してもよいですか。どのような測定結果を合格としますか。

これらの決定事項によって、回路設計と製造発注が結び付きます。基板をリリースする前に合意しておきましょう。

要点

• 信号のエッジ時間と伝搬遅延を評価してください。インピーダンス制御の必要性は、クロック周波数だけでは決まりません。
• インピーダンスのモード、ネットクラス、信号層、基準面、目標値、許容差をまとめて指定してください。
• 実際の材料構成と製造用スタックアップに基づき、完成した配線形状を確認してください。
• 製造前に、クーポン、TDR測定方法、測定範囲、サンプリング、合否判定基準について合意してください。
• クーポンの合格は、製造プロセスの検証を裏付けます。ただし、配線されたすべてのネットやチャネル全体を認証するものではありません。

PCB配線にインピーダンス制御が必要なのはどのような場合ですか？

インターフェースで必要とされる場合、または伝送線路の影響が信号に関わる場合は、PCBのインピーダンスを制御してください。デバイスのレイアウトガイドラインと電気的要件を確認し、配線の伝搬時間を、関係する最速の立ち上がり時間または立ち下がり時間と比較します。

エッジ時間と伝搬遅延を比較する

クロックの繰り返し周波数とエッジ時間は、異なる特性を表します。同じクロック周波数で動作するドライバーでも、立ち上がり時間は大きく異なる場合があります。Tektronixの プローブカードのチュートリアル では、繰り返し周波数と、パルス形状を保つために必要な帯域幅が区別されています。エッジが速いほど、より高い周波数成分への配慮が必要です。

例として、伝搬速度を 150 mm/ns:

片道遅延 = 配線長 ÷ 速度 = 30 mm ÷ 150 mm/ns = 0.2 ns。

この遅延は、5 nsのエッジに対する場合よりも、0.5 nsのエッジに対してはるかに大きな割合を占めます。ここで仮定した速度は計算例であり、FR-4に普遍的に当てはまる特性ではありません。設計を評価する際は、実際のスタックアップの遅延を使用してください。あらゆる基板に適用できる単一のクロック周波数のしきい値はありません。

インターフェースおよびデバイスの要件に従う

各インターフェースについて、必要なインピーダンス、許容差、配線トポロジー、終端方式を記録してください。該当するデバイスとインターフェースの改訂版を確認します。確認せずに、ある世代やトポロジーの目標値を別のものに流用しないでください。

また、層の変更、基準面の切れ目、コネクター、ビアも調べてください。長く均一な配線のインピーダンスを制御しても、信号経路のほかの箇所にある不連続性は解消されません。

シングルエンドインピーダンス、差動インピーダンス、インピーダンス整合

数値を指定する前に、インピーダンスのモードを指定してください。50 Ωのシングルエンド線路と100 Ωの差動ペアは、数値上の関係が分かりやすくても、異なる電気的構造を表します。

要件	説明する内容	指定する内容
シングルエンドインピーダンス	基準構造に対する単一の信号導体	信号層、基準面、配線形状、目標値、許容差
差動インピーダンス	等しい大きさで極性が反対の信号を駆動する一対の配線	両方の配線、ペア間のエッジ間隔、基準構造、目標値、許容差
インピーダンス整合	信号源、相互接続、負荷の間の関係	ドライバーの動作、線路インピーダンス、負荷、終端方式

結合によって差動インピーダンスは変化する

差動インピーダンスは、孤立した配線のシングルエンドインピーダンスの2倍になるとは限りません。ペアの電界は相互に作用し、間隔によって結果が変わります。ソルバーによっては、逆極性の励振に対する奇モードインピーダンス、または同極性の励振に対する偶モードインピーダンスを報告します。製造図面に数値を転記する前に、どの値が報告されているかを確認してください。

配線が規格に適合していても、信号が反射することがある

インピーダンス制御によって、製造された線路の特性を定めます。インピーダンス整合は、その線路を取り巻くシステムに関わります。配線が製造目標を満たしていても、不適切な終端やコネクターがあれば、反射が生じることがあります。

テキサス・インスツルメンツの PCB配線のインピーダンス整合 このレッスンでは、形状が配線インピーダンスを決める仕組みと、ドライバーと配線の整合が立ち上がり時間、オーバーシュート、リンギングに及ぼす影響を解説します。配線にインピーダンスの名称が付いているというだけで抵抗を追加せず、実際のドライバー、負荷、トポロジーに基づいて終端方法を選んでください。

スタックアップと配線形状が特性インピーダンスを決める仕組み

配線幅は、断面構造が定義されて初めて意味を持ちます。電界の形状と誘電特性が異なるため、同じ幅でもスタックアップが異なればインピーダンスが変わることがあります。Analog Devicesの 逐次比較型ADC向けの信頼性の高いデジタルインターフェース設計 では、伝送線路モデル、誘電特性、導体寸法、間隔がインピーダンス計算の入力要素として挙げられています。

マイクロストリップおよびストリップラインの基準構造

マイクロストリップは、基準プレーンの上にある外層に配線されます。電界は基板と周囲の材料（ソルダーマスクを含む）に広がります。ストリップラインは基準プレーン間の基板内部に配線され、電界は誘電体構造内に閉じ込められます。

連続した基準プレーンは、意図したリターンパス構造を形成します。配線の下で基準プレーンが分割されていたり、欠落していたりすると、その構造が変わります。信号が層を切り替える箇所では、リターンパスにも注意が必要です。一様な断面を用いた計算では、遷移全体をモデル化できません。

材料特性、完成後の銅箔、マスク

解析周波数に適した積層構成と誘電特性を使用してください。Dkは材料の比誘電率で、誘電率とも呼ばれます。「FR-4」は材料群を示す名称であり、一定のDkを指すものではありません。 PCB材料の特性と選定ガイド では、積層構成と動作要件が重要である理由を説明しています。

Sierra Circuitsの 制御インピーダンスが本当に重要な理由 では、配線幅、誘電体の間隔、Dkの影響を説明しています。他の入力条件を固定した場合、形状を定めたうえで次のようになります。

変更内容	一般的な影響	確認事項
配線幅を広げる	特性インピーダンスが低下する	エッチング後の断面形状をモデル化する
配線と基準プレーンの間隔を広げる	インピーダンスが上昇する	他の基準プレーンとの位置関係も一貫させる
誘電率を高くする	インピーダンスが低下する	適切な材料・積層構成のデータを使用する
ペア間隔を狭める	一般に差動インピーダンスが低下する	結合は形状全体に左右される
銅箔の厚さまたはマスクを変更する	インピーダンスが変化する	実際の完成構造をモデルに含める

基準プレーンまでの誘電体の間隔を指定してください。基板全体の厚さだけでは不十分です。外層の導体については、初期銅箔とメッキ後の銅厚を区別してください。また、エッチングによって、単純な計算で想定される長方形ではなく、台形の導体になる場合があります。

インピーダンス計算ツールで推定できること

使用する PCBインピーダンス計算ツール を初期寸法の設定や感度の確認に使用できます。形状と前提条件を記録してください。経験式による推定は、生産用の積層構成に関する製造業者の確認に代わるものではありません。

使用可能な材料、プレス後の誘電体厚、完成後の銅厚、実現可能な形状について、製造業者に確認してください。 FR-4基板の製造ページ では、エンジニアリングレビューを前提とした制御インピーダンスへの対応について説明しています。配線前にその積層構成を確定し、変更が必要になる可能性のある配線幅を前提として、高密度領域の設計を進めてください。

制御インピーダンスの製造仕様を作成する

実用的な仕様では、電気的要件を特定可能なネットと物理構造に結び付けます。これらの要件を管理対象の図面または表に記載し、その版を製造データの版と一致させてください。

インピーダンス表を記入する

以下の 引き渡し記録の形式を示す仮想例です。寸法は例示のために設定したもので、計算で求めた形状ではありません。記載された目標値を達成できることを示すものでもありません。製造業者が検証済みの積層構成を提示し、設計責任者が承認するまでは、両方の行をエンジニアリング保留とします。

項目	例A	例B
ネットクラス	CTRL_SE	DATA_DIFF
信号層	L1	L1
基準プレーン	連続したL2グラウンド	連続したL2グラウンド
モードと目標値	シングルエンド、50 Ω	差動、100 Ω
許容差	±10%、参考値	±10%、参考値
CAD上の配線幅	0.150 mm	1本あたり0.150 mm
提案する仕上がり幅	0.160 mm、未確認	1本あたり0.160 mm、未確認
ペアの導体間隔	該当なし	0.150 mm、未確認
製造構成記録	STACK-A、リビジョンA。提案が必要	STACK-A、リビジョンA。提案が必要
変更の許可	書面による承認前の変更は不可	書面による承認前の変更は不可
検証依頼	代表的なシングルエンドクーポンおよびレポート	代表的な差動クーポンおよびレポート
リリース状況	保留	保留

ダウンロード： インピーダンス引き継ぎ用の空テンプレート および 記入例 プロジェクトに合わせて記録を調整してください。

製造構成記録には、ラミネート材／プリプレグ、関連するDkとその根拠、誘電体の間隔、完成後の銅厚、マスクに関する前提を明記してください。製造業者が提案する仕上がり幅は、CADアートワーク上の配線幅とは分けて記録してください。ネットに複数の形状や層が使われる場合は、配線識別子も記載してください。

ペア間隔とは、2本の導体の 端から端までの距離を指します。このペアと無関係な銅箔とのクリアランスは、別個の配線制約です。

承認が必要な変更を取り決める

目標を満たすため、製造業者から配線幅、間隔、または誘電体の変更が提案される場合があります。製造前に、許容する変更を決めてください。配線幅の変更は、パッドへの引き込みや配線クリアランスに影響する可能性があります。間隔の変更は、結合や利用可能な配線領域に影響する可能性があります。

次のような製造指示を使用してください：

インピーダンス要件は、指定されたネットクラスおよび層／基準構造の組み合わせにのみ適用してください。製造前に、製造用積層構成、完成後の形状、検証計画を提出し、書面による承認を得てください。材料、誘電体間隔、銅箔、基準構造、配線幅、またはペア間隔の変更は、明示的に許容範囲が記録されている場合を除き、承認を必要とします。

これは初期指示であり、プロジェクトの製造契約に代わるものではありません。承認済みの値が製造データとクーポンの定義に反映されていることを確認してください。 PCB製造提出要件 には、レビューに必要なガーバー、穴あけ、積層構成、図面の情報が記載されています。

クーポンとTDR試験でインピーダンスを検証する

時間領域反射測定（TDR）は、電気的なステップからの反射を利用して、構造に沿ったインピーダンスを評価します。目標値と併せて試験方法と判定基準を定めてください。「100 Ω ±10%」だけでは、試験の全容を示せません。

インピーダンス試験クーポンで確認できること

クーポンは、製造パネルに関連付けられた専用の試験構造です。その有用性は、対象となる層、導体形状、誘電体構成、基準構造をどれだけ代表しているかによって決まります。

Polar Instrumentsの 試験クーポンおよび内蔵試験配線に関するガイダンス では、ビア、分岐、プレーンの隙間、プローブのアクセス性などにより、実基板での測定が複雑になる理由を説明しています。また、代表性のあるクーポン構造が必要であることも強調しています。

したがって、クーポンの測定結果は、定義された製造検査の裏付けとなります。すべての基板上のすべてのネットを直接測定するものではありません。クーポンが合格しても、コネクタや層間遷移部の不連続が許容範囲内であることは証明できません。

測定方法と合否判定基準を定める

発注前に、次の詳細を取り決めてください：

• クーポン識別子、代表する層と形状、パネル／ロットのトレーサビリティ。
• 該当する場合の校正、プローブ／治具の配置、および差動測定の設定。
• 供給されるテストエッジ、使用可能な測定ウィンドウ、および立ち上がり／終了部の影響の扱い。
• 報告する統計量、合否判定限界、および測定不確かさの扱い。
• サンプリング計画、レポートの内容、および不合格または判定が曖昧な結果の処置。

Tektronixの TDRテスト では、測定帯域幅と相互接続が供給される立ち上がり時間に及ぼす影響、および複雑な構造における多重反射が見かけのインピーダンスをどのように歪ませるかを説明します。装置の設定を高速にしただけでは、クーポンでの分解能が確保されたことにはなりません。

計算例：差動インピーダンス要件が100 Ωの場合

顧客と基板製造業者が次の条件に合意したとします。 差動インピーダンス100 Ω、許容差±10%。数値上の限界値は次のとおりです。

下限値 = 100 × 0.90 = 90 Ω。上限値 = 100 × 1.10 = 110 Ω。

この計算例では、承認済みの測定ウィンドウを使用し、報告値をガードバンドなしで包含限界値と直接比較すると仮定します。これは判断ルールの例示であり、あらゆる場合に推奨される不確かさの取り扱いではありません。

報告値の例	このルールに基づく判定	次の対応
103 Ω	数値基準に合格	合意済みの検査記録とともに、トレーサブルな結果を保管する
112 Ω	数値基準に不合格	合意済みの処置手順に従って、受け入れを保留し、原因を調査する

これらは架空の数値であり、実際の製造結果ではありません。実際の注文では、顧客の許容差と合意済みの測定手順を使用してください。不確かさを考慮してガードバンドまたは判定保留の区分が必要な場合は、この簡略化したルールではなく、その方針を適用してください。プローブの立ち上がり部付近の任意の測定点を根拠に、クーポンの合否を判定しないでください。

計算上の設計値が目標から外れる一般的な原因

モデルと測定結果が一致しない場合は、アートワークを変更する前に、入力条件と構造を比較してください。公称値による計算、承認済みの製造モデル、および測定済みのクーポンでは、断面構造が異なる場合があります。

考えられる原因	確認事項	予防策
一般的な材料データ	Dk、周波数の基準、および積層板の構成	モデルに使用する材料記録に合意する
銅の前提条件が誤っている	開始時の箔厚と仕上がり銅厚、およびエッチング形状	製造後の導体形状をモデル化する
誘電体間隔の変化	プレス後の厚さと基準面の割り当て	最終版の積層構成を確認する
形状モデルが誤っている	外層／内層、対称性、ソルダーマスク、およびペアの配置	実際の断面にモデルを合わせる
ペア間隔の変化	仕上がり時のエッジ間隔と配線上の例外	リリース時に線幅と間隔の両方を管理する
未承認の代替品使用	材料および工程の変更	文書化された承認を必須とする
誤解を招くテスト領域	立ち上がり部の影響、終端反射、またはセットアップの誤り	合意済みの方法と有効な測定ウィンドウを使用する

工程の検証とチャネルのトラブルシューティングは分けて行ってください。クーポンが合格しているのにリンクが不合格となる場合は、実際の配線、リターンパス、遷移部、終端、およびコネクタの動作を調べてください。すべての配線幅を変更すると、元の問題が見えにくくなり、新たな不整合が生じるおそれがあります。

制御インピーダンスに関するよくある質問

制御インピーダンスと誘電体制御は同じですか？

いいえ。誘電体制御では、誘電体の構成や間隔に関する要素を指定します。制御インピーダンスでは、定義された導体／基準構造に対する電気的な目標値を指定します。誘電体を制御するとインピーダンスの予測性は高まりますが、配線幅、銅箔、材料特性、ソルダーマスク、ペア間結合も影響します。サプライヤーがどの結果を達成し、検証すべきかを明記してください。

導通試験でインピーダンスを確認できますか？

いいえ。断線・短絡試験や導通試験で確認できるのは接続状態です。配線の伝送線路インピーダンスは確認できません。導体が正しいパッドに接続されていても、インピーダンスの目標値を外れることがあります。基板の電気的接続検査とは別に、必要なインピーダンス試験を指定してください。

許容差は常に±10%ですか？

いいえ。許容差は、適用される設計要件と製造上の合意によって決まります。ここでの±10%という値は、仕様の設定と合否判定の計算例です。普遍的な規格でも、サプライヤーが必ず実現できる能力を示すものでもありません。選択した構造と検証方法で、要求する許容差が実現可能か確認してください。

クーポンが合格すれば、配線されたすべてのネットも合格したことになりますか？

いいえ。合意した試験方法とサンプリング計画に基づき、サンプル構造が適合していることを裏付けるものです。すべてのネットを測定したり、すべての不連続箇所を検証したりするものではありません。クーポンとパネルのトレーサビリティを維持したうえで、実際のチャネルを個別のシグナルインテグリティ要件およびインターフェース要件に照らして評価してください。

製造レビューには何を提出すればよいですか？

製造用データとドリルデータ、ネットクラス、層／基準面の割り当て、目標値／モード／許容差、提案するスタックアップ、図面の改訂版を提出してください。試験、サンプリング、報告書、変更承認に関する要件も含めてください。量産開始前に、CAD上の形状と提案された完成時の形状の差異を解消してください。

プロジェクトのレビューについては、 スタックアップとインピーダンス要件を提出しメーカーに確認してもらう必要のある検証計画も含めてください。