組み込み容量材料の概要

安定した電力の整合性が必要な場合、キャパシタンスはあなたの強い味方です。そのため、デカップリングキャパシタに多くの注目が集まっています。これらのコンポーネントは重要であり、特定のコンポーネントに対してターゲットとなる電力整合性ソリューションを提供するために使用できますが、PCBスタックアップやパッケージ基板のキャパシタンスを強化するために使用される特殊材料があります。このタイプの特殊材料は、埋め込みキャパシタンス材料、またはECMと呼ばれます。

これらのラミネートは、PCBスタックアップに組み込むことで、電力整合性を支援する非常に高いキャパシタンスを提供することができます。これらの材料は、必要に応じてデカップリングキャパシタのグループを置き換えることもできます。この記事では、これらの材料の適切な使用法と、IC基板パッケージおよびPCBで使用された場合の材料特性について検討します。

埋め込みキャパシタンス材料とは何か？

埋め込みキャパシタンス材料は、非常に薄い層厚と高い誘電率を持つ銅張りラミネートです。これらの材料は、PCBスタックアップ内の電源層とグラウンド層を分離することを目的としており、その結果、PCBスタックアップに組み込まれたキャパシタンスを提供します。埋め込みキャパシタンス材料は、IPC 4821規格（硬質および多層プリントボード用の埋め込みパッシブデバイスキャパシタ材料の仕様）で定義され、説明されています。

これらの材料は2つの基本的な機能を提供します：

• PDNにおいて高いDk値と低い厚さを通じて高い平面容量を提供する
• 比較的高い損失角を通じて電磁波の減衰を提供する

これらの材料の主な機能は、PDNにおいてより高い容量を提供し（PDNインピーダンスを低下させ）、材料の高い損失角によりパワーバスリップルのより大きな減衰を実現することです（これにより、GHz周波数でのパワープレーン/キャビティ共振がより穏やかになります）。回路の観点から、これらの材料は減衰と容量を同時に提供しますが、低い広がりインダクタンスであるため、制御されたESRキャパシタのように機能します。

電力整合性の向上

ECMの電力整合性への影響を示す例を、以下のPDNインピーダンスデータで示します。このグラフでは、より薄いECM材料の存在が期待通りPDNインピーダンスを下げることがはっきりとわかります。高い損失角を持つ薄い材料は、PDN共振を減衰させることも示されており、1GHz近くの小さなピークでこれが明確に示されています。これは、ICパッケージがPDNで迅速なパルス応答を必要とする周波数範囲に正確に合致しています。

上記の結果は、薄いECMがより多くのキャパシタンスを提供するが、それがより多くのインダクタンスを提供するわけではないために発生します。また、ECM内の追加のダンピングは、低Q共振ピークを生み出します。これらの効果が合わさって、全体のPDNインピーダンスを下げ、高周波共振のQ値を減少させます。

信号整合性の向上

電力整合性の向上は、以下のアイダイアグラムデータに示されているように、信号整合性の向上にもつながります。このグラフでは、電源/グラウンドプレーンペアのラミネートとして薄いFR4を使用し、低PDNインピーダンスをサポートするために100個のSMDキャパシタを使用しても、アイダイアグラムが顕著なジッターを示していることがわかります。これは、PDN上のリップルが出力バッファ回路がロジック状態を切り替えるときに信号レベルの変動を引き起こすためです。その結果、出力信号のタイミングに変動が生じ、アイダイアグラムにジッターとして現れます。

右のグラフは、テストボードにSMDキャパシタを使用せずにECMを使用したアイダイアグラムを示しています。その結果、ジッターが約2倍減少し、アイの開口部が大きくなりました。これは信号整合性の明確な改善であり、電源バス上のリップルを減少させることから完全に結果が得られました。

• 電源バスのリップルと信号整合性の関係についてもっと読む。

上記の要因は、SIとPIの間のよく知られた関係を示しています。また、ECM材料を使用すると、PCBの端から測定される放射EMIの低減もあります。これは、電源バスのリップルによって生成された放射がボードの端に到達するまでにより大きな誘電体減衰を経験するため、それがボードをより低い強度で離れることになるためです。

ECMを使用する場面

すべてのPCBが電力整合性を提供するためにECMを使用する必要があるわけではありません。場合によっては、ECMによって提供される容量のレベルが過剰であり、標準的な積層材料と小型のキャパシタを使用してPDNに十分な容量を提供できることがあります。一部の設計では、非常に薄いECMが電力整合性に必要な容量を提供する唯一の解決策の1つです。PCBでECMが使用される典型的な例には以下のようなものがあります：

• 高速信号を多数サポートする小型基板（モバイルデバイス、タブレットなど）
• 高速バスを多く搭載した低層カウント基板（先進的なIoT製品やmmWaveセンサー）
• 離散キャパシタの配置スペースがない非常に密集した、やや小型の基板（旧型携帯電話、新型拡張カード、小型マザーボード）

層数が少ない基板（6〜10層）では、専用の電源層とグラウンドプレーンの間の中央層にECMを使用する傾向があります。層数が多い基板（最大で24層や32層まで）では、層のペア割り当ては変わるかもしれませんが、デバイス内のすべての信号のSI/PIをサポートするために十分なキャパシタンスを提供するためには非常に薄い層が必要になります。この戦略はIC基板にも使用されます。

PCB ECMの特性

PCBでの使用に適したECM材料の可能な材料特性のリストを以下の表に示します。これらの材料は、剛性材料（例：FaradFlexや3M）として提供されるか、または柔軟なポリイミド材料（例：DuPontから）に組み込むことができます。これらは、PCBスタックアップを構築するための標準的な積層プロセスに組み込むように設計されています。

パッケージおよびモジュールECM

ECMは、ICサブストレートパッケージでの使用にも市場で提供されています。これらのパッケージは、半導体ダイを有機サブストレート上に配置し、場合によっては、半導体ダイ、パッケージサブストレート、そして最終的にPCBとの間の追加の接続性を提供するためにインターポーザ上に設置することを含みます。その後、サブストレート材料は、パッケージの下側にあるBGAパターンへとこれらの銅接続をファンアウトします。

パッケージやモジュールにおいて、層の厚さは通常のFR4ラミネートよりもはるかに薄いですが、PCBサブストレートで使用される材料よりもはるかに高い目標Dk値を持っています。

PCB用に市販されているECMがIC基板にも使用できることに注意することが重要ですが、必ずしも効果的とは限りません。一部のECM材料は、PCBやIC（例えばFaradFlex）専用に市販されていることに注意してください。対照的に、一部のECM製品ライン（例えば3M）は、PCBとICの両方に使用するために市販されています。

一般に、ICパッケージングに使用されるECMには、以下の要件があります：

• より高いDk値が望ましい
• より高い損失正接が望ましい
• より薄い層厚が望ましい
• Tg値はそれほど重要ではない

より高いDk値が要求されるのは、より大きな平面キャパシタンス密度（キャパシタンス/（基板面積）で測定）を持ちたいためです。Tg値は、ECM材料のTg値が既にICの温度制限を大きく上回っているため、それほど重要ではありません。ECM（PCBおよびIC基板の両方）におけるより高い損失正接は、リップルを制御するために重要であり、以下のセクションの1つで詳しく説明されます。

PCBで低DkのECMと同じ容量を提供するためには、IC基板で使用されるECMは、パッケージ基板のサイズが小さいため、はるかに高いDkを持つ必要があります。これにより、IC基板には、特にパッケージにチップコンデンサのスペースがなく、オンダイキャパシタンスがほとんどない場合に、GHz範囲でのオンダイ電力整合性を支援する十分なパッケージ容量が提供されます。PCBは面積が大きいため、必要に応じて低いDk値で済むことがあります。

あなたのCADツールのECMレイヤー

PCBスタックアップ内にECMを組み込むことは、CADツール内で簡単です。他の材料と同様に、PCBスタックアップで材料の特性と厚さを定義するだけです。電力または信号整合性などのフィールドソルバーシミュレーションでボードを使用する予定の場合は、これらがシミュレーションモデルで考慮されるように、レイヤースタックアップ定義に誘電特性を含める必要があります。

PCBスタックアップにおいて、製造図面および製造ノートに材料選択を定義することも良い考えです。製造図面にスタックアップ図を作成する際には、ECM層が存在し、FR4グレードの材料やその他の材料と混同されないようにしてください。Draftsmanを使用すると、レイヤースタックアップ図を自動的に生成し、製造図面に迅速に配置することができます。

また、製造ノートにECM仕様が記載されていることを確認してください。ECMのIPC標準適合性、厚さ、銅の重さ、レイヤーペア、ディストリビューターの部品番号（利用可能な場合）、およびブランド名は、製造ノートに指定されるべきです。以下に例を示します。

電子機器が機能密度とコンポーネント密度の限界を押し広げるにつれて、ECMは、ディスクリートキャパシタのスペースが限られている場合に十分なデカップリングを確保するためにより重要になります。同様に、2.5Dおよび3Dで複数のダイを組み込むICパッケージの場合、ダイ上のキャパシタンスが低い場合にパッケージ内の電力整合性を確保するために十分なデカップリングが必要です。PCBおよび基板パッケージでこれらの材料を使用する方法についてさらに学びたい方は、以下のリソースにアクセスすることをお勧めします。

• Novak, Istvan. "SUNの薄型および超薄型ラミネートを使用した電力分配アプリケーションの経験," TechForum TF-THA2, DesignCon (2006).
• Borland, Bill. "高性能半導体のデカップリングにおける埋め込みキャパシタ技術の使用," 2006年 第15回 IEEE 国際フェロエレクトリクス応用シンポジウム.

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