基準面を用いたPCBスタックアップ設計によるインピーダンス管理

インピーダンス制御、インピーダンス管理、制御誘電体は、PCB内の信号によって見られるインピーダンスを設定するための異なる方法を指す、おおよそ交換可能な用語です。インピーダンス計算ツール、例えば無料のオンラインツールやEDAプログラムを使用すると、トレースインピーダンスを計算でき、非常に正確なインピーダンス値を得ることができます。しかし、実際の製造過程で重要となるのは、設計したものが実際に目標とするインピーダンスを達成できるように生産される必要があります。

明らかに、どの製造プロセスも完璧ではなく、製造ラインから出てくる任意のPCBはトレースインピーダンスにいくらかの変動があり、データレートが高い（つまり、信号帯域が広い）場合に変動はより顕著になります。また、インピーダンスが実際のスタックアップや材料の誘電データに対応して指定されていない場合、製造業者はインピーダンス目標を達成するために設計データを修正する必要があります。

インピーダンス制御対制御誘電体

特定のインピーダンス仕様、または複数のインピーダンス仕様が必要なボードを設計する場合、一般的には2つのアプローチがあります：制御誘電体設計または制御インピーダンス設計。

一部の設計者（私自身を含む）は、特定のレイヤースタックに基づいてトレースインピーダンスを計算する行為を「制御インピーダンス」と呼ぶことがあります。誘電率と厚さが分かっていれば、トレースインピーダンスを計算することができます。一部のPCBメーカーはこれを「制御誘電体」設計と呼ぶことがあります：

制御誘電体設計では、設計者がインピーダンス仕様が必要な層をサポートするラミネートの誘電率を知っている必要があります。つまり、設計者は標準スタックアップまたは市販の材料からDk値と層の厚さを知っている必要があります。基準平面（グラウンドプレーン）の配置は、標準スタックアップで指定する必要はありません。

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一部のメーカーはインピーダンス計算機を提供しており、これにより、特定のトレース/グラウンドプレーン配置と必要なインピーダンス値に必要な正しいトレース寸法を決定することができます。ただし、これらの計算機は、誘電体の既知のDk値と厚さを入力する限り、制御誘電体設計を可能にする基本的なものです。

もう一つのアプローチは制御インピーダンスです。このアプローチでは、設計者はトレースの幅/間隔とそれが達成するインピーダンスを選択するだけです。その後、製造者はその目標を達成するために、誘電体と層の厚さの組み合わせを選択し、テストクーポンでこれをテストします。

層のスタックアップの配置、誘電体の厚さ、プリプレグの厚さ、および積層体の厚さの変更は、ボード上の信号によって見られるインピーダンスをすべて変更します。設計者としては、インピーダンス表または伝送線表、およびスタックアップ図を製造ノートに提供するだけでよいのです。

高速PCB設計

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製造業者が一般的に行わないことは、インピーダンス目標を達成するためにトレースの幅や間隔を変更することです。彼らはエンジニアリングレビューの一環としてティアドロップを適用したりエッチング補正を行うことはありますが、このレベルの変更はGerberデータではなく、あなたのネイティブのCADファイルで行うのが最適です。一般的に、製造業者にネイティブのPCB設計ファイルを送ることはないので、彼らが設計に入ってトレースにそのレベルの変更を提供することはありません。彼らが自分たちの材料セットであなたの目標を達成できない場合は、変更のために基板をあなたに返送します。

レイヤーごとにどれだけのユニークなインピーダンスプロファイルが必要か？

もしデザイナーが制御された誘電体アプローチを取るなら、1つのレイヤー上で複数のインピーダンスプロファイルを計算したくなるかもしれません。一般的に、1つのレイヤー上でユニークなインピーダンスプロファイルを使用することが好ましいです。例えば、あなたの50/100インピーダンスプロファイル（Ethernet、HDMIなど）は同じレイヤー上で組み合わせることができますが、USB、DDRなど、それぞれ独自のインピーダンスプロファイルを持つ異なるレイヤーでこれらを使用することは望ましくありません。

以下に示す例では、異なるユニークなインピーダンスプロファイルが異なる層に割り当てられています。1つのプロファイルが複数のプロトコルに適用される場合がありますが、ここで使用される分離は、特定の層に対してプロファイルごとに行われます。目標とするインピーダンスを達成するために、メーカーに材料を組み合わせてもらう必要がある場合は、設計内で幅/間隔の値と、達成しようとするインピーダンス目標を指定する必要があります。

• インピーダンス制御要件の指定についてもっと学ぶ

これを行う理由は、制御されたインピーダンスアプローチと制御された誘電体アプローチの両方を可能にするためです。インピーダンス制御アプローチを取る場合、これによりメーカーは必要に応じて単一層の誘電体データのみを調整でき、これにより目標インピーダンスプロファイルのみが変更され、他のすべてが維持されます。例えば、トップ層とボトム層では、トレース幅/間隔と目標インピーダンス値を指定する限り、メーカーは特定のインピーダンス目標に必要な誘電率と厚さを選択できます。

制御されたインピーダンス/誘電体設計に対する私の好みのアプローチ

十分な設計に取り組んだ後、高速デジタルシステムやRFシステムのインピーダンス（またはむしろ誘電体）制御設計に対して一般的に非常にうまく機能する2つのアプローチを見つけました：

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• 市販の特定の材料を選択し、データシートから誘電率情報を使用し、製造元が材料を在庫していることを確認してから進めてください。
• 製造業者から材料情報/データシート、インピーダンス値、および関連するスタックアップを取得します。これは通常、標準スタックアップで指定されます。

設計でこれらの決定をコントロールできる場合、私は限られたグループの材料（Isola、ITEQ、およびRogers）を使用する傾向があるため、第1の方法を好みます。これらの材料は私が好むPCB製造業者によって在庫されています。その後、レイヤースタックアップクリエーター（SimbeorやAltium DesignerのLayer Stack Managerなど）を使用して、各レイヤーで必要なインピーダンスプロファイルを計算できます。

基本的な材料で問題ないが、設計にはインピーダンス仕様が必要な場合、第2の方法を選択します。その時点で、スタックアップに表示されるDk値とレイヤーの厚さを知る必要があり、インピーダンス仕様を満たすために幅と間隔を計算できます。

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