エッジ結合差動ペア:間隔が重要

そもそもエッジ結合型エンベデッドマイクロストリップって何？

エッジ結合エンベデッドマイクロストリップは、誘電体基板と何らかのカバー材料 (ソルダーマスク、コンフォーマルコーティング、プリプレグ、または単に空気) との間にトレースが配置されるPCB上の差動ペアを配線する方法です。「エッジ結合」部品とは、トレースが並んで走り、外側のエッジが特定のギャップで区切られていることを意味します。これは、ブロードサイド結合（一方のトレースがもう一方のトレースの上にある）またはオープングランドプレーン上に配線されたマイクロストリップとは異なります。

なぜこれが重要なのでしょうか。痕跡の上にあるカバーの材質がすべてを変えるからです。そのカバーの誘電率を下の基板と組み合わせると、FR4のシンプルなマイクロストリップで得られるものとは異なる効果的な誘電環境が作り出されます。これを間違えると、インピーダンスの計算が無駄になり、シグナルインテグリティが損なわれ、反射によって高速リンクが切断されてしまいます。

ほとんどのエンジニアは、カバーの材質を完全に無視するか、後から考えたものとして扱います。それは間違いです。カバーの内容や厚さにもよりますが、カバーのインピーダンスが5〜15％シフトすることがあります。

ジオメトリの理解

メンタルモデルを設定しましょう。基板が完成しました。通常は誘電率が4.2前後のFR4ですが、RFではロジャースRO4350B（3.48）が一般的です。ディファレンシャル・トレースは、この基板の上面からある程度の深さにあります。その上にはカバー層があります。おそらく25 μm のソルダーマスク、75 μm のコンフォーマルコーティング、100 μm のプリプレグ、あるいはまったくない（空気だけ）。

トレースの幅、トレースの間隔 (中心から中心までではなく、端から端までで測定)、基板の高さ、カバーの厚さはすべてインピーダンスの計算に反映されます。カバーの誘電率も重要です。ソルダーマスクは通常3.5、コンフォーマルコーティングは3.0、プリプレグFR4は約4.2、空気は1.0です。

ここで重要なのは、トレースの周りの電界分布は均一ではないということです。電界の一部は下の基板に浸透し、一部は上のカバーに入り、一部はカバーがない場合は空中に放射します。この計算ツールでは、奇数モードと偶数モードの実効誘電率を別々に計算し、差動インピーダンス (SerDesリンクで気になること) とコモンモードインピーダンス (EMIにとって重要なこと) を導き出すことでこれを計算します。

その背後にある数学

電卓は閉形式方程式 (Wadellの公式と変形) を使用して伝送線路のパラメータを計算します。エッジ結合マイクロストリップには、奇数と偶数の2つの伝搬モードがあります。

奇数モードでは、2つのトレースは等しく反対の電流を流します。両者の間の電界は強く、より緊密に結合しているように見えます。 イーブンモードでは、トレースは等しい同相の電流を流します。それらの間の電界は弱く、結合も緩くなります。

差動インピーダンスは奇数モードから導き出されます。

同相インピーダンスは偶数モードから得られます。

これらのインピーダンスはそれぞれ、そのモードで見られる実効誘電率に依存します。これは、基板とカバーの誘電体の加重平均で、各領域に存在する電界エネルギーの量によって重み付けされたものです。

また、この計算ツールはシングルトレースのインピーダンスも出力します。これは、1つのトレースにパートナーが存在しないとどうなるかということです。これはサニティーチェックに役立ちます。シングルトレースのインピーダンスが、スタンドアロンのマイクロストリップに期待していたものと大きく異なる場合は、形状に問題があるということです。

現実世界の例:100 Ω 差動USB 3.0ペア

USB 3.0 高速信号用の差動ペアを設計してみましょう。この規格では、100 Ω の差動インピーダンス (± 10%) が求められています。ここでは、全厚が1.6 mm、信号層の下に0.2 mmの基板 (FR4 (εr = 4.2)、上部に25 μm のソルダーマスクを備えた標準の4層基板上に配線しています。

当社の銅は1オンス (35 μm). 9) です。まずは推測から始めます。トレース幅は5ミル、端から端までの間隔は8ミルです。

エッジ結合型組込みマイクロストリップ電卓を開く とプラグを差し込んでください:

• トレース幅: 5 ミル (0.127 mm)
• トレース間隔: 8 ミル (0.203 mm)
• 基板の高さ: 0.2 mm (200 μm)
• カバーの厚さ: 25 μm
• カバータイプ: ソルダーマスク (3.5)
• 銅の厚さ: 1 オンス (35 μm)
• サブストレート誘電体: FR4 (4.2)

計算機は次のような値を返します。

• 差動インピーダンス: 104.2 Ω
• オッドモードインピーダンス: 52.1 Ω
• イーブンモードインピーダンス: 198.5 Ω
• パートナーなしのシングルトレース: 95.3 Ω
• オッドモード・エフェクティブ εr: 3.18
• イーブンモード有効 εr: 3.95
• 伝搬遅延 (奇数) : 161.8 ピース/インチ
• 伝搬遅延 (偶数) : 165.2 ピース/インチ

現在の位置は 104 Ω, で、90—110 Ω のウィンドウのすぐ外にあります。間隔を 7 ミルに狭めましょう。

• トレース間隔: 7 ミル (0.178 mm)

これでだいたい102 Ω. 良くなりました。6.5ミルの間隔を試してみると、約100 Ω. パーフェクトになります。

奇数モードと偶数モードの有効誘電率が異なることに注意してください (3.18 対 3.95)。奇数モードでは基板の「認識」が少なく、カバー (ソルダーマスク) のほうが「見える」ため、実効 εr は低くなります。偶数モードではより多くの基板が見えるので、高さも高くなります。これはまさに私たちが期待していたことです。

伝搬遅延についても注意してください。伝搬遅延はほぼ同じで (161.8 対 165.2 ps/インチ)、シグナルインテグリティの観点からは良好です。両者が大きく分岐すると、差動信号間にスキューが生じます。

よくある間違いと落とし穴

カバーの材質を忘れることはあります エンジニアは、上部に付いている25 μm のソルダーマスクを無視して、マイクロストリップが無限のグランドプレーン上にあると仮定してインピーダンスを計算することがよくあります。そのソルダーマスクの εr = 3.5はFR4に近いものですが、それでも問題はありません。コンフォーマルコーティング ( (εr = 3.0) はそれほど重要ではありませんが、プリプレグ (εr = 4.2) は基板と同じくらい重要です。 端から端までの間隔と中心間の間隔がわかりにくい 計算機は端から端までの間隔をとります。端から端までのギャップが8ミルの5ミルのトレースがある場合、中心から中心までの距離は 5 + 8 + 5 = 18 ミルです。間違って間隔として 18 ミルを差し込まないでください。まったく間違った答えが返されてしまいます。

**シングルトレースのインピーダンスは差動インピーダンスと一致するはずですが、そうではないはずです。1つのトレースにパートナーが存在しないだけでは、まったく別の問題になります。USBの例では、1つのトレースが100 Ω. ではなく95.3 Ω, に戻りました。これは正常です。結合されたトレースがあると、インピーダンスがシフトします。

検証された範囲内にいるかどうかはチェックしていません 計算機は、ジオメトリが閉形式方程式の正確な範囲内にあるかどうかを調べます。間隔を20ミル、基板の高さを5mmに押し上げると、数式が崩れ始めます。「検証範囲内」フラグが false に戻っても、数値を信用しないでください。HFSS や CST のようなフィールドソルバーが必要です。 伝搬遅延スキューは無視 奇数モードと偶数モードの遅延が数パーセント以上異なると、差動信号間にスキューが生じます。これは必ずしも致命的とは限りませんが、知っておく価値はあります。高速シリアルリンク (PCIe、USB 3.1 など) の場合は、できれば 5% 未満に抑えてください。 「カバーなし」は真の空気として扱います。「カバーなし」を指定した場合、計算ツールはトレースより εr = 1.0 上にあると仮定します。実際には、必ず何かがあります。ソルダーマスクでなくても、PCBのソルダーレジスト処理、ほこり、湿気があります。大まかな見積もりとしては、「カバーなし」でも問題ありませんが、設計に賭けないでください。ソルダーマスクは製造中に必ず剥がれます。

この電卓と他の電卓のどちらを使うべきか

差動ペアがPCBの表面上に配線されていて、その上に何もない場合は、代わりにマイクロストリップインピーダンス計算器を使用してください。こちらの方が簡単で、カバーの材質と混同することもありません。

トレースが2つのグランドプレーン (ストリップラインまたはデュアルストリップライン) の間にある場合は、ストリップラインカリキュレータを使用してください。電界分布はまったく異なります。

トレースがブロードサイド結合されている (一方が上方にある) 場合は、ブロードサイド結合ペア計算器を使用してください。

これは、トレースがエッジカップリングになっていて、その上に必ず誘電体カバーがある場合に使用してください。これは標準的なPCB製造では一般的なケースです。信号は内層または表面層にあり、ソルダーマスクまたはプリプレグで覆われています。

実用的な設計のヒント

保守的に始めましょう。100 Ω の微分が必要な場合は、計算機で98—102 Ω を目指してください。実際のPCB製造には許容誤差があります。トレース幅は± 10% 変動する可能性があり、間隔はドリフトする可能性があり、誘電率は温度と周波数によって変化します。2 Ω のマージンがあると、余裕が生まれます。

シングルトレースのインピーダンスが理にかなっていることを常に確認してください。FR4で高さ0.2mmの5ミルのトレースであれば、80～100 Ω の範囲のものになるはずです。電卓に200 Ω, と表示されている場合は、どこかで単位エラーを起こしたことになります。

ある範囲を許容する仕様 (一部の微分規格では85—115 Ω など) に合わせて設計している場合は、計算機を使ってその範囲の中間に収まる間隔を探してください。仕様の端を想定して設計しないでください。製造上のばらつきがあると、仕様から外れてしまいます。

高速作業 (5 GHz 以上または立ち上がり時間が非常に速い作業) では、最終的な形状をフィールドソルバーで実行します。閉形式の方程式は、ほとんどの目的には十分正確ですが、それでも近似値です。HFSS を数時間練習すれば、リスパンボードを使う手間を省くことができます。

試してみてください

現在取り組んでいるデザイン、または思い描いたデザインを手に入れて、エッジ結合型組み込みマイクロストリップカリキュレータを開く。基板 (FR4またはRogers)、カバーの材質 (ソルダーマスクが安全策です) を選択し、目標のインピーダンスに達するまでトレースの幅と間隔を微調整し始めます。実効誘電率と伝播遅延に注目してください。設計のバランスが取れているかどうかは、これらの値から多くのことがわかります。奇数モードの遅延と偶数モードの遅延が大きく異なる場合は、間隔または高さを調整する必要があることがわかります。レイアウトを開始する前に、必ず「検証範囲内」フラグを確認してください。