HDI基板のインピーダンスに影響を与える要因とは？ - ブログ

高密度相互接続 (HDI) プリント基板 (PCB) の領域では、インピーダンスは電子デバイスのパフォーマンスに大きな影響を与える重要なパラメーターです。 HDI PCB サプライヤーとして、私はさまざまな要因がインピーダンスにどのように影響するかを直接目撃してきました。 HDI PCB の品質と機能を確保するには、これらの要因を理解することが重要です。

1. トレースジオメトリ

HDI PCB 上のトレースの形状は、インピーダンスに影響を与える最も基本的な要素の 1 つです。トレースの幅、厚さ、間隔は重要な役割を果たします。

トレース幅

一般に、配線幅が広いほどインピーダンスが低くなります。これは、トレースの幅が広いほど、電流が流れる断面積が大きくなるためです。抵抗の基本式 (R=\rho\frac{l}{A}) ((\rho) は抵抗率、(l) は長さ、(A) は断面積) によると、(A) が大きいほど抵抗は低くなります。 AC ドメインの抵抗に関連するインピーダンスの観点では、配線幅が広いと全体のインピーダンスが低下します。たとえば、高速信号アプリケーションでは、わずか数ミルのトレース幅の変化がインピーダンスに顕著な影響を与える可能性があります。

トレースの厚さ

配線の厚さもインピーダンスに影響します。配線が太くなると抵抗が低くなり、その結果、インピーダンスも低くなります。トレースの厚さが増加すると、トレース幅が増加した場合と同様に、電流が流れる断面積が増加します。スペースが限られている HDI PCB では、必要なインピーダンス値を達成するために配線の厚さを慎重に制御することが不可欠です。

トレース間隔

トレース間の間隔も重要な側面です。トレースが互いに近すぎると、電磁結合が誘発され、インピーダンスが増加する可能性があります。これはクロストークとして知られています。クロストークを最小限に抑え、必要なインピーダンスを維持するには、適切な配線間隔を維持する必要があります。高速信号の場合、間隔要件はさらに厳しくなります。

2. 誘電体材料

HDI PCB で使用される誘電体材料は、インピーダンスに大きな影響を与えます。

誘電率 ((\epsilon_r))

誘電率は、誘電材料が電気エネルギーをどの程度蓄えることができるかを示す尺度です。誘電率が高いということは、材料がより多くの電気エネルギーを蓄えることができることを意味し、その結果、PCB のインピーダンスに影響します。 PCB 上の伝送線路のインピーダンスは、誘電率の平方根に反比例します。したがって、誘電率が増加すると、インピーダンスは減少します。誘電体材料が異なれば、誘電率も異なります。たとえば、PCB で一般的に使用される誘電体材料である FR-4 の誘電率は約 4.3 ～ 4.7 です。ただし、より高いインピーダンス値を達成するために使用できる、より低い誘電率を備えた他の高性能誘電材料が利用可能です。

誘電体の厚さ

トレースと基準面の間の誘電体層の厚さもインピーダンスに影響します。一般に、誘電体層が厚くなると、インピーダンスが高くなります。これは、トレースと基準面の間の電場が誘電体が厚いとより広がり、静電容量が減少してインピーダンスが増加するためです。複数の層が積層されている HDI PCB では、誘電体の厚さを正確に制御することが、インピーダンス整合のために重要です。

3. ビア構造

ビアは HDI PCB 内のさまざまな層を接続するために使用され、その構造はインピーダンスに大きな影響を与える可能性があります。

ビア径

ビアの直径はインピーダンスに影響します。一般に、ビア直径が大きくなると、インピーダンスが低くなります。これは、配線幅が広い場合と同様に、ビアが大きいほど電流が流れる断面積が大きくなるためです。ただし、ビアが大きくなると PCB 上の占有スペースも増えるため、HDI 設計では制限となる可能性があります。

ビアの長さ

ビアの長さももう 1 つの重要な要素です。ビアが長くなると、抵抗とインダクタンスが増加するため、インピーダンスが高くなります。 HDI PCB では、インピーダンスの変動を減らすためにビアの長さを最小限に抑えることが重要です。バックドリルなどの技術を使用してビアの未使用部分を除去することで、ビアの長さを短縮し、インピーダンス特性を改善できます。

HDI PCB にはさまざまなタイプのビアがあります。PCB経由で埋め込み、ウルトラ HDI PCB、そして任意のレイヤーの HDI PCB。ビアの種類ごとにインピーダンスに独自の影響があり、これらの違いを理解することは、高性能 HDI PCB を設計するために不可欠です。

4. 温度と湿度

温度と湿度も HDI PCB のインピーダンスに影響を与える可能性があります。

温度

温度が上昇すると、材料の熱膨張によりトレースとビアの抵抗が増加します。この抵抗の増加は、インピーダンスの増加につながる可能性があります。さらに、誘電材料の誘電率も温度とともに変化し、インピーダンスにさらに影響を与える可能性があります。高温環境では、インピーダンスの変動が大きくなり、信号の完全性の問題が発生する可能性があります。

湿度

湿気により誘電体材料の吸湿が引き起こされ、誘電率が変化する可能性があります。湿度が増加すると、誘電特性の変化によりインピーダンスが低下する可能性があります。高湿度の環境では、インピーダンスに対する湿度の影響を最小限に抑えるために、PCB を適切に保護し、カプセル化する必要があります。

5. 製造工程

HDI PCB の製造に使用される製造プロセスもインピーダンスに影響を与える可能性があります。

Buried Via PCB Ultra HDI PCB

エッチング工程

PCB 上にトレースを形成するために使用されるエッチングプロセスは、トレースの幅と厚さに影響を与える可能性があります。エッチングプロセスが適切に制御されていない場合、トレースの寸法にばらつきが生じ、それがインピーダンスの変動につながる可能性があります。たとえば、オーバーエッチングではトレース幅が減少し、インピーダンスが増加する可能性がありますが、アンダーエッチングではトレースの幅が広くなり、インピーダンスが減少する可能性があります。

ラミネート加工

PCB のさまざまな層を積層するために使用される積層プロセスも、誘電体の厚さ、トレースとビアの位置合わせに影響を与える可能性があります。積層プロセスが正しく実行されないと、誘電体の厚さが不均一になり、インピーダンスの変動が生じる可能性があります。

結論

HDI PCB サプライヤーとして、当社は PCB のインピーダンスがお客様の要件を確実に満たすために、これらすべての要因を制御することの重要性を理解しています。トレースの形状、誘電体材料、ビア構造、環境要因、製造プロセスを慎重に検討することで、正確なインピーダンス値を備えた高品質の HDI PCB を製造できます。

正確なインピーダンス制御を備えた高性能 HDI PCB が必要な場合は、当社がお手伝いいたします。当社の専門家チームは HDI PCB の設計と製造において豊富な経験を持っており、お客様と協力してお客様の特定の要件を満たすことができます。お客様の PCB のニーズについて話し合い、お客様のプロジェクトに最適なソリューションを提供できる方法を検討するには、当社までお問い合わせください。