マルチボードPCBシグナルインテグリティ：完全ガイド

マルチボードPCBの設計は、表面上は非常にシンプルに聞こえます。複数のボードを組み立てて、ケーブル、エッジコネクション、メザニンコネクタ、ポゴピンなどでリンクする設計を行います。しかし、マルチボードPCBは、単一のPCBのみを有するシステムでは常に見られない一連の信号整合性の課題を抱えています。単一ボードであれ複数ボードの組み立てであれ、特に軍事、航空宇宙、HPC、AIなどの分野における高度なシステムでは、信号整合性を維持する必要があります。

では、複数のPCBアセンブリにおいて信号整合性の原則をどのように適用するのでしょうか？信号整合性を維持し、しばしば実験的に検証する必要があるいくつかの領域があります：

• コネクタのピン配置とインターフェース
• ケーブルおよびハーネスの設計
• 例えば、金属化されたエンクロージャへの接続

これらの領域での信号整合性の問題は、EMI/EMCの問題にもなり得ますが、これは特にマルチボードPCBで真実です。

このガイドでは、マルチボード信号整合性が維持されるように、コンポーネントの選択とインターコネクトの設計方法を説明することを目指します。これらのステップでも、オンPCB信号整合性の必要性はなくなりません。両方の領域はシステムにおいて重要であり、EMI問題の防止に役立ちます。

マルチボードインターコネクト上の信号と放射

マルチボードPCB設計に言及するとき、明らかに2つのPCB間で信号を転送しているので、信号とそれらが生み出す可能性のある放射について何かを知っておくべきです。この放射への言及は、EMI/EMCとマルチボードPCB設計との間の核心的なリンクの一つです。

2つのPCB間で送信する必要がある信号のタイプによって、期待できる放射とノイズのタイプが異なります：

• 差動信号、これは自己参照です
• 単一終端信号、これには参照が必要です
• 正弦波または狭帯域信号、これは一般に単一終端です

信号のタイプとエッジレートは、ピンアウトの設計を決定します。ピンアウトがあらかじめ決定されていない場合、適切なピンアウトを設計し、適切なコネクタを選択することで、コネクタインターフェースを越えた信号整合性を確保できます。

ピン配置の設計に加えて、コネクタ自体が信号完全性の問題を引き起こす原因となることがあります。基板間接続で発生しうる主な信号完全性の問題は、過剰な反射であり、これが放射につながります。近距離場では、放射は主にコネクタ本体に直接遡ることができ、特に信号を含む一貫したグラウンド参照の欠如が原因で最も顕著です。最終的に、特定のコネクタが適切なピン配置を持ち、あるデータレートに対応しているとしても、コネクタ本体への不正確なトレース入力や残留スタブが過剰な損失を生じさせる可能性があります。

まず、信号完全性が主要な懸念事項である状況で必要とされるコネクタのタイプを見てみましょう。

信号完全性に最適なコネクタタイプ

主要なコネクタベンダーは、非常に高いデータレートで使用されることが証明された複数の基板間接続システムを開発しています。言い換えれば、これらのコネクタシステムは、デバイスパラメータから決定される非常に高いチャネル帯域幅まで成功裏に動作することが示されています。これらのコネクタタイプの例には、次のようなものがあります：

• エッジマウント基板間コネクター、スライディングピン接点付き
• ブレードコネクター（垂直およびエッジマウント）
• VPXシステムなどのスルーホールマウントスロットまたはブレードコネクターシステム
• スライディングピンコネクターシステム
• コネクターアレイ用同軸型コネクター
• 高密度BGAマウントコネクター

非常に高速な信号レートに対応できる部品の素晴らしい例は、Samtec 40ピンQTE/QSEマッチングコネクターペアで、SYZYGYコネクターとしてよりよく知られています。

部品番号：Samtec QTE-020-01-F-D-A

RFシステム、特にmm波システムの領域では、PCBにマウントでき、ケーブルとインターフェースできるギャング同軸コネクター製品もあります。例えば、以下のギャングSMPMコネクター。

部品番号：TE Connectivity 2441485-1

最後に、高速インターコネクトでもこれらのコネクターの有用性を示すために、VPXバックプレーンで見つけることができるスルーホールコネクターの例を紹介したいと思います。コネクターはスルーホール部品として取り付けられますが、基板間インターフェースでは、ヘッダーに見られるようなピンを使用しません。代わりに、これらは非常に高いデータレートに対応するスライディング接触コネクターです。

Amphenol SpaceVPX VITA 78 メーティングコネクター

この特定のコネクターは回路基板にスルーホールで取り付けられるため、最高速度のピンにバックドリリングを実施するか、または全スタックアップを横断してルーティングする必要があります。もう一つの選択肢はブーメランビアを使用することですが、このタイプのコネクターが使用される基板は、信頼性に関する懸念からHDIビルドアップ層を使用していません。したがって、スルーホールマウントコネクターを使用して高速デジタルチャネルで信号を伝送する場合は、スタックアップを横断して信号をルーティングできるように、ルートの計画を慎重に行うことが重要です。これは、ピンアウトの計画も重要になるところですが、これについてはすぐに見ていきます。

高速マルチボードインターコネクトのためのピンアウト設計

高速信号をサポートするマルチボード間接続のピン配置には、ボード間接続をまたいでいくつかのグラウンド参照を含める必要があります。これは、直接のボード間接続を使用する場合でも、ボードからケーブルへの接続を使用する場合でも適用されます。PCBスタックアップで特定の層をグラウンドプレーンに割り当てるように、コネクタのピン配置では特定のピンをグラウンドに割り当てたいと考えます。

非常にシンプルな経験則は、デジタル信号の間にグラウンドピンを配置することです。私がよく示す一般的な例の一つは、バックプレーンのルーティングに関する別の記事、特にVPXバックプレーンについてです。下の画像は、数ギガビット毎秒で動作するピン配置への差動ペアルーティングを示しています。このコネクタは垂直に取り付けられたスルーホールコンポーネントであり、入ってくるトレースは残りのスタブを最小限にするために背面層の近くにあります。

これらのGbps差動ピンはこのピン配置で斜めに走っており、それぞれがグラウンドによって分離されています。このコネクタを通じて多くの信号を送ることができるかもしれませんが、多くのピンをグラウンドに割り当てることは、差動クロストークと放射される電磁波を抑制するために不可欠です。

ピン配置ガイドライン

信号の整合性を確保するために、これらのシンプルなガイドラインに従ってください：

• 可能であれば交互にグラウンドピンを使用してください
• シングルエンドピンはグラウンドピンの隣に配置してください
• 差動ペアでは、プラスピンとマイナスピンを隣同士に配置してください
• 複数の行にわたって差動ピンが重ならないようにしてください
• 使用していないピンがある場合は、すべてをGNDに接続してください

なぜピンにグラウンドを交互に配置するのか

上記の例では、入力信号ピンがグラウンドピンに囲まれていることがわかります。これは3つの理由から行われます：

• ピン間のクロストークを最小限に抑えるため
• コネクタに一貫した入力インピーダンスを設定するため
• 信号からの放射エミッションを抑制するため
• 差動ピン上の共通モードノイズを含むため

これらは、マルチピンコネクタに入るシングルエンド接続および差動接続の両方にグラウンドピンを含める基本的な理由です。主な理由は、シングルエンド信号のためのグラウンドを提供することで、特に信号がケーブルにルーティングされた場合に放射エミッションと独立したクロストークを減少させることです。二つ目の理由は、ケーブルインピーダンスを設定するために、ケーブル内でしばしばグラウンドが必要であることです。これは、USBケーブルのようなツイストペアケーブルを持つ標準化されたケーブルに特に当てはまります。

差動信号を持つコネクタやケーブルにも同じことが当てはまります。差動ペアは自己参照であるというのは事実ですが、グラウンドの存在は差動ペアの周囲の電場を変更し、それが差動クロストークの可能性に影響を与える理由です。

伝送線入力ルーティング

高速信号用のコネクタは、コネクタのピンと同じ層上にトレースがある場合、コンポーネントのデータシートに特定の伝送線入力の推奨事項がない場合があります。コネクタは、ケーブルやマッチングコネクタを見ているときにある入力インピーダンスを持ち、それは伝送線のインピーダンスにマッチする必要があります。通常、これは単終端トレースの場合は50オームのインピーダンス、差動トレースの場合は100オームの差動インピーダンスです。

差動トレースに関する重要な注意：この場合の100オームの差動インピーダンスは、実際には50オームの奇モードインピーダンスに相当します。相互接続が差動の場合、コネクタの差動インピーダンスにマッチングしていることを確認してください。

2列の高密度コネクタ上のラインエントリの例を以下に示します。画像では、単終端トレースと差動トレースがあります。

このトレースエントリー画像では、コネクタから遠い差動ペアは広がっていますが、コネクタに入る際にトレースは近づきます。ルートがコネクタピンに入る際にこれらを近づけるのは、統合回路のピンに入るときに行うかのように適切です。このコネクタのもう一つの注目すべき特徴は、GNDに割り当てられた中央の接点であり、ピングループ内で複数の差動ペアの使用を可能にします。

次に、トレースの幅がパッドサイズに似ていることに注意してください。トレースをパッドサイズよりも広くすることは可能ですが、パッドに入る際にトレースを細くする必要があるかもしれません。これは、トレースがピンの近くで集まると、クリアランスを侵害する可能性があり、細くする必要があるからです。これらは制御インピーダンストレースであるため、より狭いトレースが必要な場合は、基板を薄くするか、より高い誘電率定数値を使用する必要があります。

最後に、ビアを通じてのトレースエントリーが可能であり、これはパッド内ビアまたはコネクタピンからさらに後ろでの遷移として行うことができます。ピンピッチに応じて、クリアランスDRCエラーを防ぐためにビアを間隔を空ける必要があるかもしれません。

覚えておいてください、私たちが扱っているのは高速信号用に定格されたコネクターなので、ビアのトランジションも意図的に設計する必要があります。目的は、ビアの特性インピーダンスをコネクターピンの入力インピーダンスに合わせ、ビアで見られる合成入力インピーダンスが伝送線のインピーダンスと一致するようにすることです。これは、以下の適切なサイズ設定を意味します：

• アンチパッドサイズ
• ビア直径
• ビア着地パッドサイズ
• NFPの存在または除去
• ステッチングビアの位置と数

これは、高いチャネル帯域幅を必要とする単端または差動トランジションを扱う場合に一般的に取るアプローチです。これは、約3 GHz以上で作業している場合に重要になります。これについては、別の記事で詳しく説明しました。

コネクターを使用した高速リンクのSパラメーターによる分析

他の高速リンクと同様に、Sパラメータは、コネクタやケーブルを含む相互接続部分の伝送線の分析に使用できます。もちろん、コネクタ本体の3Dモデル、さらにはケーブルの3Dモデルを使用して、相互接続のジオメトリ全体を構築することが可能です。その後、3D電磁場ソルバーを使用して、リンク全体のSパラメータを決定します。明らかに、これは非常に時間がかかる作業であり、多くの計算能力と専門ソフトウェアが必要です。

ありがたいことに、高速デジタルリンクや高周波RFリンクでの使用を市場に提供するコネクタベンダーは、しばしばTouchstoneファイルで製品のSパラメータデータを提供しています。その後、コネクタベンダーのデータを使用して相互接続のための線形ネットワークモデルを作成し、カスケードされたSパラメータを決定できます。

Simbeor、MATLAB、Keysight ADSのような解析ツールを使用して、このモデルのカスケードSパラメータを決定できます。これにより、インターコネクト全体に沿った電力伝送と損失がわかります。これで、伝送線の設計やコネクタ入力の設計など、設計内の他のパラメータに基づいてリンクの機能を予測できるようになります。このネットワークでは、各個別セクションのSパラメータを知っていなければならず、その後シミュレータがカスケードネットワークとそのSパラメータを計算できます。

では、コネクタのSパラメータがわからない逆の問題はどうでしょうか？この場合、コネクタのSパラメータを抽出するために測定を使用する必要があります。この場合、コネクタは線形ネットワークのDUTを形成し、カスケードネットワークSパラメータを使用して抽出によりコネクタのSパラメータが決定されます。線形ネットワークの他のコンポーネントのSパラメータがわかっている限り、上記の同じ解析プログラムを使用してコネクタのSパラメータを抽出することもできます。

さらに詳しく知りたい方は、Ben Jordanからの次のビデオをご覧ください。