FSテクノロジーによる高周波PCBA設計の詳細紹介

高速かつ正確なデータ伝送の要求から、USB4、HDMI、Thunderbolt、DisplayPortなど高周波のデータケーブルが時代の主流になっています。信号伝送は旧バージョンのHDMI2.1TMDSで行われ、最大18Gbpsに達し、3840x2160pや4K解像度の高精細映像の伝送が可能である。高周波PCBA技術の革新により、最新のFRLモードを使用した帯域幅は48Gbpsまで拡大することが可能です。これをベースに圧縮技術を用いれば、10K解像度の画像伝送も容易となり、USB4の新バージョンでは40Gbpsまで高速化することが可能です。高周波配線の種類に関係なく、PCBには熱雑音などのノイズが発生します。PCBAノイズをどう解決するかが、メーカーや設計者の関心事になっています。ここで、どの値の周波数が高周波とみなされるのかが問題となる。400MHz、10GHz、5GHz、それとも1Ghz。

高周波データライン3本

高周波線路の概念

高周波の反射波長を低減する

高周波の定義は、周波数だけでなく、反射が起こるかどうかでも判断できる。電磁波が媒体(空気や基板)を伝わるとき、次の3つの状況が発生します。

  • 連続媒体:反射現象が起きない。
  • 不連続媒体:反射が発生した場合、この媒体上では低周波とみなされる。
  • 不連続な媒体。反射が発生した場合、この媒体では高周波とみなされる。
 

したがって、反射は波長に依存すると結論づけることができる。

空気中や真空中の電磁波の伝搬速度は、光速に等しい。

高周波回路基板電流計算式

中速の電磁波の場合はそうですが。

プリント基板内の電磁波の透過率

この式により、高周波のPCBA基板などの媒体の場合、電磁波の透過率を求めることができます。

プリント基板における電磁波の波数計算式

電磁波が媒質を通過するときの波速度と電磁波の方程式を関連づけるとその結果、新しい式が得られます。 

プリント基板における電磁波の波長式

上記の式から、波長が伝送路の長さより大きければ、反射は起きないと結論づけることができる。

そこで、反射を最小限にするために、電磁波信号の波長をできるだけ大きくすることになり、通常はトレース長の4倍が採用される。上記の式から得られる一つの結論は、周波数を下げ、基板の比誘電率を下げれば、波長も長くすることができる、ということです。しかし、現実には伝送上の要求から、データ伝送速度を自由に下げることはできず、基板の媒質も1にはできない。

また、Traceの長さを短くし、その長さを透過波長以下にする方法もあります。しかし、FS Technologyでは、この方法には限界があると考えています。伝送速度がある高さに達するか、高周波PCBAの部品間の位置が制限される場合、高周波PCBAのTraceの長さを少なくとも5〜10cm長くする必要がある。

高周波トレースとインピーダンス

PCB基板の高周波トレースを検討する際に、トレースのインピーダンス設計について疑問が生じますが、上記のデータでは何も表現されていません。上記では、反射がない場合にはトレースのインピーダンスに問題がないため、インピーダンス設計の必要がないことを述べています。

前項で述べたように、高周波伝送の要求が高まると、やみくもにトレースを短くすることは非常に弱くなります。超高速伝送を要求されるプロジェクトでは、この方法は全く使えません。そのため、長くしたTraceは、どうしても反射が見られるようになります。電磁波に基づく理論では、反射のない別の手法が存在するとされています。トレースインピーダンス=ロードインピーダンス=内部インピーダンス。

この理論は、冒頭の「連続した媒質があれば反射はない」という話と関係がある。簡単に言えば、トレース、負荷、内部インピーダンスは同じである。

高周波PCBA信号の反射と誤判定

PCBAメーカーであれ、PCBAサービスを購入するお客様であれ、反射が現れることは避けたいものです。反射とは、使われなかったり、送信されなかったりしたエネルギー部分が、送信機のように元の場所に戻っていくことを表します。 上記で表現したいのは、反射がない場合、このとき周波数がどうであれ、トレースはインピーダンスに問題がない、つまり、インピーダンス設計をする必要がない、という主旨である。

しかし、現実には、波の重ね合わせの現象により、反射したエネルギーは再び発生源から反射してきます。波が2回反射して受信点に戻ってくると、別の信号と重なってエラー信号となる。例えば、スタート地点で1だったデジタル信号が、受信地点では0になり、0だった信号が1になって、誤算や誤判定になるとします。

高周波用PCBA製造時の注意事項

ここまでで、反射による問題点を把握することができたので、今後は高周波基板を作るために適切な基板を選択しなければならない。通常、ロジャースとFR4の2種類の基板が使用されます。

比誘電率は、信号の質を左右する重要なポイントです。

PCBの比誘電率

周波数と比誘電率には関係があり、周波数を変化させると比誘電率も変化しますが、この関係を説明したのが以下の式です。

PCBの周波数変化と誘電体係数の関係

そして

高周波基板 周波数変動 vs 誘電率

ここでは、基板上の電磁波の周波数透過率によって比誘電率が変化し、波長も変化することがわかる。これは電磁波理論で与えられる分散現象であり、この媒質を分散媒質と呼ぶ。

高周波PCBAの分散問題の詳細な概要

デジタル信号は、0か1の矩形波で伝送される。矩形波の周波数の変化を観察すると、周波数の異なる無数のsin波の形成に反映されます。 簡単に言えば、基本波と2つの奇数倍音が重なり合ったものである。

高周波回路基板の矩形波の法則

比誘電率の違いにより3つの異なる周波数の波がPCBトレースを通過する場合、伝送速度に差が生じます。理想的なケースでは、3つの周波数の速度が同じで、速度値をXに設定し、その結果、信号の受信側では完全な方形波信号が得られます。しかし、現実にはそんなことはありえない。3つの周波数は、それぞれ速いか遅いかの速度を持っているのだ。やみくもにトレース長を長くすると、時間差で3つの周波数に分解された電磁波を受信することになる。

高周波基板上の異なる周波数のレート変化

同じような高い信号が異なる時間間隔で到達し、振幅も小さくなるため、受信時の判断に誤りが生じ、ビットエラーとなります。

あるいは、高速信号が低速信号を上回るため、レートの異なる複数の信号が機器内にあると、受信側で高周波PCBAが乱れた信号を受信してしまい、精度を判断することができなくなります。

先に述べたように、トレースのインピーダン ス(シングルエンド 50 Ωまたは差動 100 Ω)を設 計しておけば、トレースは反射を起こさずに より長い時間動くことができるが、分散媒体と 接触すると、トレースの長さが制限される。そこで、インピーダンス設計では、トレースをできるだけ短くすることを選択することができる。

高周波材料の比較。FR4とRogersの比較

比誘電率と分散現象を理解した上で、FR4材とRogers材の比較をしてみましょう。下図は、FR4とRogersの周波数に対する比誘電率のイメージです。

FR4とRogersの周波数に対する比誘電率

上の図から、FR4の∈r(f)は周波数によって大きく変化していることがわかりますが、Rogersの場合は無充電です。仮にPRBS31のような伝送レートの周波数帯を使用する場合、FR4を使用するには分散の問題に十分注意しなければならない。そのためには、トレースをできるだけ小さくする必要があります。

FR4を使わず、RogersのPCBを使えば問題は解決すると思うかもしれません。それは正しいのですが、ロジャースの価格は高いので、この点も考慮する必要があります。価格の低下とどのように通信要件を満たすために、信号の品質を維持するために。バランスをとるためのレイアウトをする技術者が常に頭に浮かぶ。

最後に、トレースインピーダンスに対する∈r(f)の影響について、これまで述べてきませんでした。 基本的には影響しますが、あまり雑な解析や説明を避けるために、インピーダンス設計の問題は理想化されています。

高周波用PCBA3種の大型導波管構造の解析

上記の考察では、正確な材料の選択と価格の比較のように、高周波とPCBの関係について説明しました。次に、高周波のPCB設計レイアウトについて説明します。

PCBのLayoutをどのように設計しようかと考えたとき、まず最初に思いつくのはシミュレーションではないでしょうか。まず最初に思いつくのはシミュレーションについてです。シミュレーションソフトの使用は簡単で余分な時間を省き、高価ですが、我々はどのようにシミュレーションのパラメータを定式化することができますか?まず、レイアウト設計を開始するためのアイデアが必要です。 

高周波プリント基板 基板製作の際、最初に直面する問題は、適切な導波路構造を選択することである。最も基本的な3つの伝送構造を以下に説明する。

  • マイクロストリップ
  • ストリップライン
  • コプレナ導波管

PCB大型導波管構造比較図

マイクロストリップ

アーキテクチャやデザインはシンプルです。同様の高周波の場合 PCBA 基板は、線幅基板厚、線厚など、構造が単純なため、変化させられないパラメータが多い。

マイクロストリップの場合、周波数の上昇に伴い、トレース上部の空気の値が∈eff = 1、トレース下部の基板の値が∈eff ≠ 1となり、上下の磁場が非対称となり、電磁界パターンが非対称になるという問題があります。この非対称な挙動は、信号の伝送品質に影響を与える。

ストリップライン

構造が複雑で、上下の基板の∈effを近づけることができるため、電磁波のパターンが完全なものになります。 また、ストリップライン高周波トレースは、互いに長距離クロストーク効果を示さない。

内部層と外部層がビアで接続されているため、冗長なビアセグメントによる信号の減衰や反射の問題があります。この問題を最小限にするために、バックドリルやブラインドビアを使用しますが、これはコストアップにつながります。 

高音域用基板の改善

コプレナ導波管

導波路の作成には、マイクロストリップのようにトレースの両側を銅のガードで覆います。そして、マイクロストリップ、コプレーナ導波管は、トレースとグランド間の距離、グランド上に存在するビアとトレース間の距離など、より多くの物理パラメータを変更することが可能です。

コプレーナ導波路はGNDを挟んでいるため、クロストークの影響を最小限に抑えることができます。PCIeのような高周波・高密度な回路では、その両側に銅のグランドを配置するスペースがないことが設計上のボトルネックになっています。 

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