フレックスPCB：メッシュグラウンドプレーンのためのフレキシブル回路信号整合性

フレックス基板とリジッドフレックス基板の超高速化は、これらの基板が先進的な電子機器でより多く使用されるにつれて避けられないものとなっています。これらのシステムには、アイソレーションのためのグラウンド層が必要であり、無線プロトコルのためにRFとデジタルの参照を分離することも必要です。高速および高周波数には、信号整合性の問題が伴う可能性があり、その多くはPCB内のグラウンドプレーンの配置と形状に関連しています。

フレックス基板とリジッドフレックス基板で一貫した0V参照を提供する一般的な方法は、フレックスリボンにハッチングまたはメッシュ状のグラウンドプレーンを使用することです。これにより、広い周波数範囲でシールドを提供しつつ、フレックスリボンが過度な剛性なしに曲げたり折りたたんだりできるように、大きな導体が提供されます。しかし、信号整合性の問題は2つの領域で発生します：

• 一貫したトレースインピーダンスの確保、
• シールディングとアイソレーション、および
• ハッチング構造内のファイバーウィーブ様効果の防止。

この記事では、ハッチングされたグラウンドプレーンから生じる信号整合性の問題と、それに対して何ができるかを詳しく見ていきます。

メッシュグラウンドプレーンデザイン

基本的な意味で、ハッチングは他のグランドプレーンと同じように機能します。トレースが所望のインピーダンスを持つように設計されるための一貫した参照を提供することを目的としています。伝送線の一般的な幾何学（マイクロストリップ、ストリップライン、または導波管）は、メッシュグランドプレーンを備えたリジッドフレックスまたはフレックスPCBに配置することができます。フレックスリボンの表面層にハッチングされた銅領域を配置すると、低周波数での固体銅とほぼ同じ効果が得られます。

フレックスリボン上でのストリップラインとマイクロストリップのルーティングの一般的な構成は、以下に示されています。

このメッシュ構造はリジッドボードで使用することができますが、実際には見たことがなく、クライアントからの要求も受けたことがありません。代わりに、メッシュパターンは、インピーダンス制御の必要性と合理的に柔軟なリボンの必要性のバランスをとるために、フレックス/リジッドフレックスボードで使用されます。トレースやハッチパターンを設計する場合は、静的および動的なフレックスリボンとIPC 2223基準に従ったベストプラクティスに従ってください。

インピーダンス制御

シングルエンドまたは差動ペアを扱う1つのオプションは、トレースの直下にあるプレーン層に固体銅を配置し、回路の他の場所にメッシュ構造を配置することです。ルーティングが非常に密になる場合は、メッシュを至る所で使用する必要があります。メッシュを使用することを選択した場合、より大きな柔軟性を得られますが、遮蔽隔離が低下し、インピーダンス制御の条件が変更されます。

上記のように、メッシュプレーン構造には2つの幾何学的パラメーターがあります：LとW。これら2つは、銅で覆われたメッシュ領域の割合、または充填率に組み合わせることができます。これらのパラメーターを変更すると、次の効果があります：

• メッシュ領域を開く（Lを増やしてメッシュ開口部を増やす）ことは、他のパラメーターが一定であると仮定してインピーダンスを増加させます。また、リボンを曲げやすくします（力が少ない）。
• 他のパラメーターを一定に保ちながらWを増加させると、メッシュ領域が閉じ、インピーダンスが増加します。また、リボンモードを曲げにくくします（力が多い）。

標準的なジオメトリでインピーダンスを支配する他のパラメータは、メッシュグラウンドプレーンを使用している場合でも同じ効果があります。高周波数になると、伝送線周りで非TEMモードを励起させることがあり、ファイバーウィーブのような効果が見られることさえあります。

フレックスリボンのファイバーウィーブ効果？

これは、PCB内のメッシュグラウンドプレーンが非常に興味深くなるところです。メッシュパターンがFR4やその他の積層材で使用されるガラス織物パターンに似始めるからです。その結果、通常は滑らかで比較的均一な基板材料において、再びファイバーウィーブ効果を心配しなければならない状況に戻ります。これらの効果は、移動信号の帯域幅がメッシュ構造内の一つまたは複数の共振と重なるときに発生します。ポリイミドでL = 60ミルの場合、最低次の共振は50 GHzになります。

初期の研究（このHindawiの記事を参照）では、リジッドまたはフレックスのPCB基板上で、メッシュグラウンドプレーンを横切るトラック上でデジタル信号が伝播すると、これらのハッチング構造が強い放射を生じることが示されました。高周波でのフレックスアプリケーションが増えるにつれて、メッシュグラウンドプレーンを持つフレックスリボンでは、いくつかの理由からこれらの効果が悪化すると予想されます。

高Q共振

通常のガラス織物基板と同様に、メッシュは特定の周波数で励起されると共振をサポートできるキャビティ構造を形成します。メッシュグラウンドプレーン内のこれらの共振キャビティは、キャビティの壁が高導電性（銅）であるため、非常に高いQ値を持ちます。したがって、損失が少なく、Q値の高い共振が発生します。これにより、キャビティ放射と共振による電力損失が増加します。

オープンメッシュは隔離性が低い

通常、固体のグラウンドプレーンは、繊維織物キャビティからの放射されたEMIがボードの端に沿って放出されることを保証します。しかし、メッシュグラウンドプレーンには開放キャビティがあるため、隔離性が低く、フレックスリボンの表面に沿っても放射することができます。これには相互作用があります：トレースが放射をより容易に放出できる場合、外部のEMIもより容易に受信できます。

これらの問題を解決するためには、ファイバーウィーブ効果を防ぐためにより密なガラス織物を使用するように、より密なメッシュを使用します。フレックスPCBおよびリジッドフレックスPCBはPCBの風景の一部として存続し、新しい製造能力によりさらに進化しています。Tara Dunnが発表した1ミルトレース幅の製造能力は、より小さなメッシュグラウンドプレーンパターンの製造を可能にすることで、高速・高密度フレックスPCBにとって実際のゲームチェンジャーになる可能性があります。

メッシュグラウンドプレーンの例

よく構築されたメッシュグラウンドプレーンの例は、オープンソースのラップトッププロジェクトで見ることができます。このプロジェクトはLukas Henkelによって主導されています。下の画像は、1ミル厚のフレックスリボンに適用されたメッシュグラウンドプレーンの例を示しており、このフレックスPCBは、エッジFPCコネクタから直接フレックスリボンにはんだ付けされたウェブカメラへのMIPI CSI-2ルーティングをサポートすることを目的としています。幾何学的パラメータは以下の通りです：

• 銅トレース幅：0.1 mm
• 開口部サイズ（繰り返し要素）：0.283 mm

この例では、フレックスリボンの異なる部分でグラウンドを定義するために、複数のハッチング領域が使用されています。また、ハッチングプレーンには大きなソリッド領域があり、これは高速のCSI-2シグナルを、ハッチング領域の上部にある低速の設定シグナルやGPIOから分離するために使用されています。ハッチング領域の上にシグナルをルーティングする準備ができたら、ルーティングツールはソリッドプレーンやソリッドポリゴン上をルーティングするのと全く同じように機能します。

この種のハッチングは、トレースを手動で描画する必要はありません。代わりに、Altium Designerにはポリゴンに自動的にハッチングを適用する機能が含まれており、選択したハッチングは、PCBエディタでポリゴンが再注がれると表示されます。この機能は、上記のような矩形のポリゴン、曲線のポリゴン、または不規則なポリゴン注ぎに適用できます。

メッシュグラウンド上のルーティングのシミュレーション

メッシュグラウンドプレーンは技術的にはPCB内の他の構造体と同様にシミュレートすることが可能ですが、メッシュグラウンドのより複雑な構造のために、より多くの計算能力を要求されるという課題があります。これらのメッシュ層の開口部は、より複雑なシミュレーションメッシュを作り出し、それを使用してマクスウェルの方程式を解く必要がありますが、これにはより長い計算時間が必要になります。例えば、メッシュプレーン上の単一の差動ペアに対するSパラメータシミュレーションには、PCB断面のシミュレーションに基づいて1時間以上のシミュレーション時間が必要になる場合がありますが、同じ差動ペアとスタックアップで固体銅のグラウンドプレーンを使用した場合、同じ数値法で分析した場合の所要時間は1分未満です。

上記の事実は、メッシュグラウンド上での配線のインピーダンスを決定することを非常に困難にします。もう一つの問題は、メーカーからの明確なデータの欠如です。すべてのメーカーがメッシュグラウンドプレーン上のインピーダンスに関するデータを保持しているわけではなく、主にインピーダンスが銅メッシュの充填率と方向に非常に大きく依存するためです。パラメータ空間が非常に広いため、これらのデータを保持しているフレックスPCBメーカーでも、有効なテストデータはごく少数のパラメータ化と特定のポリイミド製品に対してのみ保有している可能性があります。したがって、高度な製品に対してフレックスで高速配線が必要な場合は、3Dフィールドソルバーシミュレーションツールへの投資を検討してください。

フレキシブル基板やリジッドフレキシブル基板を設計する計画であっても、Altium Designer®には、高速設計用のメッシュグラウンドプレーンを適切に設計するために必要なツールが揃っています。Altium 365®上のAltium Designerは、これまでソフトウェア開発の世界に限定されていたような前例のない統合を電子業界に提供し、設計者が自宅で作業し、前例のない効率のレベルに達することを可能にします。

Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。より詳細な機能説明やオンデマンドウェビナーのいずれかを製品ページで確認できます。