マイクロストリップとストリップラインのインピーダンス
両線路の違い、積層構成のパラメータ、配線幅・誘電体・銅箔の影響を説明し、インピーダンス制御の指定方法を示します。
執筆・技術レビューElectroDesignForge Engineering Team
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マイクロストリップは、近くの層にあるプレーンを基準にする外層配線です。ストリップラインは、二つの基準プレーンの間にある内層配線です。いずれも特性インピーダンスは、配線の幅と厚さ、プレーンまでの距離、誘電率、ソルダーレジスト、製造条件を含む電磁界の形状全体で決まります。
マイクロストリップとストリップラインの選び方
| 形状 | 構造 | 利点 | 注意点 |
|---|---|---|---|
| マイクロストリップ | プレーンの上にある外層配線 | アクセスしやすく、誘電体損失が比較的小さいことが多い。配線と検査が容易 | 電界の一部は空気やソルダーレジスト中を通る。近くの構造物や放射の影響を受けやすい |
| 対称ストリップライン | 二つのプレーンの中央にある内層配線 | 電界が閉じ込められ、外部からの影響と放射を抑えやすい | 誘電体損失が大きくなりやすい。必要な配線幅は細くなる場合があり、圧着後の積層構成に依存する |
| 非対称ストリップライン | 一方のプレーンに近い内層配線 | 非対称な実際の積層構成に合わせられる | 上下それぞれの誘電体厚を把握し、管理する必要がある |
マイクロストリップは表層でアクセスしたい信号、RF配線、外層配線が都合のよいインターフェースによく使われます。ストリップラインは、高速信号が高密度基板を横切る場合や、放射と外部からの干渉を抑えたい場合に適します。どちらを選んでも、ビア、基準プレーンの変更、製造上の制約を管理する必要があります。
製造業者の実際の積層構成を使って比較するには、PCBインピーダンス計算ツールを利用してください。
インピーダンスを決める要素
シングルエンド配線では、主に次の変数が影響します。
| パラメータ | 値が増えた場合の一般的な影響 |
|---|---|
配線幅W | インピーダンスが下がる |
基準プレーンまでの距離H | インピーダンスが上がる |
比誘電率εr / Dk | インピーダンスが下がる |
銅厚T | 特に細い配線で、インピーダンスがやや下がる |
| マイクロストリップ上のソルダーレジスト | 通常はインピーダンスが下がる |
これらの傾向は不整合の発見に役立ちますが、配線幅を確定するには不十分です。マイクロストリップの式では実効誘電率εeffを使います。電界の一部は誘電体を、残りは空気やソルダーレジストを通るためです。ストリップラインでは電界の大部分が誘電体内にあるので、実効誘電率は材料のDkに近くなります。
積層構成を電気的な仕様として読む
「FR-4、1.6 mm、1 oz」という記載だけではインピーダンスを計算できません。信号層の詳細な積層構成が必要です。
- 信号層と、その周囲にある連続した基準プレーン。
- 配線から各プレーンまでの圧着後の距離。積層前のプリプレグの公称厚だけでは不十分です。
- 必要に応じて外層めっきを含む完成後の銅厚。
- ラミネート材または基板製造業者が示す、対象周波数での設計用Dk。
- マイクロストリップの場合、ソルダーレジストの有無、厚さ、Dk。
- 完成後の配線幅、誘電体厚、銅厚、Dkそれぞれの許容差。
マイクロストリップでは、高さHは配線からリターン用プレーンまでの距離です。対称ストリップラインでは上下のプレーンまでの距離が等しくなります。非対称ストリップラインでは下側のH1と上側のH2を別々に指定します。モデルが対応していない限り、平均値に置き換えないでください。
50 Ωの設計例
グランドプレーン上の外層マイクロストリップを考えます。エッチングで配線が細くなると、単位長さ当たりの容量が減り、インピーダンスが上がります。圧着後の誘電体が厚くなっても、プレーンとの結合が弱くなり、インピーダンスが上がります。両方のばらつきが重なる可能性があります。
50 Ωを目標とする場合、計算した配線幅を出発点にし、製造業者にインピーダンス測定用クーポンと補正後の幅を確認してください。少なくとも次を仕様に記します。
層：L1のマイクロストリップ、基準面はL2
目標インピーダンス：50 Ω（シングルエンド）
許容差：±10%
積層構成の参照資料：基板メーカーの積層構成図、改訂版X
管理方法：インピーダンス測定用クーポンと測定報告書
製造業者が積層構成を管理し、目標値を保証する場合は、Gerberデータの配線幅を製造側で補正できます。検証後にその幅を変更するなら、解析をやり直してください。
リターン電流と層の切り替え
インピーダンスは信号配線だけでは決まりません。高周波のリターン電流は、結合が最も強い配線直下の基準プレーンに沿って流れやすくなります。プレーンの分断、基準プレーンの変更、リターン用ビアを伴わない層間遷移は不連続点になります。各配線区間が50 Ωでも信号品質を損なう可能性があります。
- マイクロストリップの下と、ストリップラインの両側に連続した基準プレーンを設けます。
- 層間遷移の近くにグランドビアを配置し、短いリターン経路を用意します。
- スロット、配線禁止領域、分割プレーンをリターン電流が横切る構成を避けます。
- コネクタ、接続部、ビア、スタブを確認します。適切な寸法の配線が数ミリメートルあることより、これらの影響が大きい場合があります。
簡易計算の限界
PCBインピーダンス計算ツールは、選択肢の比較に使うシングルエンドの準静的な概算値と許容差範囲を示します。余裕が小さい場合やデータ速度が高い場合は、電磁界ソルバーや製造業者による検証が必要です。
ソルダーレジスト、銅箔の粗さ、台形状のエッチング、ガラス織布、結合した差動配線、ビア、コネクタの接続部、近くのプレーン、損失、周波数分散が重要な場合は、より詳細な解析が必要です。標準インターフェースでは、まず公式のインピーダンス目標値と配線規則を確認してください。
製造前の確認事項
- 積層構成で実際に使えるマイクロストリップまたはストリップラインを選びます。
- すべての配線に連続したリターン用プレーンを対応させます。
- 製造業者が示す圧着後の誘電体厚と完成後の銅厚を使います。
- 目標インピーダンス、許容差、層、シングルエンドか差動かを製造指示書に明記します。
- インピーダンスが重要な場合は、補正後の配線幅、試験クーポン、測定報告書を依頼します。
- 層間遷移、ビア、基準プレーンの変更を別に確認します。
参考文献
- IPC-2141A — 高速・インピーダンス制御プリント基板の設計ガイド。
- E. O. Hammerstad、Ø. Jensen — マイクロストリップのコンピューター支援設計に関する高精度モデル、IEEE MTT-S、1980年。
- IPC-6012 — リジッドプリント基板の認定・性能要件。製造業者の設計規則と試験クーポンによる確認を併用します。