PCB ファクトリ: HDI PCB 設計におけるインピーダンス マッチングと共有

PCB ファクトリ: HDI PCB 設計におけるインピーダンス マッチングと共有

インピーダンス整合は、負荷の入力インピーダンスまたはその信号源の出力インピーダンスを構成する方法です。 最大電力伝送を達成し、負荷からの信号反射を減らすために実行されます。 つまり、インピーダンスを適切に制御するには、負荷インピーダンスが伝送線路の特性インピーダンスと等しくなければなりません。 送信された信号が反射されない場合、負荷がすべての信号を吸収したことを示します。 HDI でのインピーダンス整合は、伝送障害、特に抵抗と PCB 誘電体によって引き起こされる損失を完全に回避するためのものです。

マイクロウェルを使用して、インピーダンス整合システム用の PCB 配線を簡単に作成できます。 BGA エスケープ ワイヤリング技術とドッグ ボーン ファン アウト構造を使用して、HDI でのインピーダンス マッチングを実現できます。

PCB 配線でインピーダンス整合が必要になるのはいつですか?

インピーダンス整合は、周波数ではなく、信号の急峻さと立ち上がり/立ち下がり時間によって決まります。 信号の立ち上がり/立ち下がり時間 (10% ～ 90% に基づく) がトレース遅延の 6 倍未満の場合、高速信号と呼ばれます。 ここでは、正確なインピーダンス整合を行う必要があります。

HDI インピーダンス整合の課題

HDI でインピーダンス マッチングを実装する場合、設計者は次の課題に直面します。

高密度相互接続設計では、BGA などのコンポーネントのパッド間の間隔が小さくなります。 間隔が 0.65 mm 以下の BGA では、配線と幅の制御が困難になります。 この場合、ビア イン パッドと BGA エスケープ ルーティング テクノロジを使用できます。

ブラインド ホールを備えたパッド内のビアは、ビア スタブを回避してシグナル インテグリティを向上させるため、利点があります。

インピーダンス制御配線を必要とする HDI ボードでは、インピーダンスが信号規格と一致していることを確認するために、慎重に設計されたルーティングとスタッキングが不可欠です。

HDI インピーダンスの設計線幅を調整する

配線のインピーダンスは、基準面からの幅と高さによって決まります。 ファイン ピッチ BGA を備えた HDI ボードでは、配線の幅と高さを慎重に選択して、パッド間の配線とパッド内のスルー ホールを回避します。

HDI PCBのBGAエスケープ配線を使用したインピーダンス制御

高密度の相互接続を扱う場合、いくつかの BGA コンポーネントが使用されます。 多数のピンを備えたボール グリッド アレイの下部にワイヤを出し入れするには、エスケープ ルーティング スキームが必要です。 制御されたインピーダンスが必要な場合 (FPGA やその他の高速コンポーネントなど)、BGA エスケープ ケーブルは困難な場合があります。

回路基板を設計する際に使用されるエスケープ配線戦略は、はんだボール間に配置できる配線幅を定義する BGA 間隔に大きく依存します。 配線の細かさは、製造元の制限、層の積み重ね、および必要なインピーダンスにも依存します。 エスケープ ルーティング スキームを選択するときは、次のガイドラインに留意してください。

中程度の数の細い間隔の BGA のエスケープ ルーティング テクノロジは、トレースが BGA の内外にルーティングされるため、ネッキング法から始まります。

外部配線は、回路基板の 1 列目のパッドに直接配線できます。

グリッド アレイの 2 列目のパッドのトレース幅は、1 列目のパッドの間に設置できるように大幅に縮小されています。

残りの行の内側のクッションに到達するには、内側の層を通過します。 通常、各信号層は 2 つのラインにルーティングされ、インピーダンスと HDI クロストークの両方を制限します。

ドッグボーン ファンアウトは、最も一般的な BGA エスケープ ルーティングおよびファンアウト方法です (下図を参照)。 このファンアウト手法は、パッドに近いパッドにスルー ホールを配置するのに役立ちます。 部品はスルーホールを通して直接パッドに溶接されないため、フィリングメッキは必要ありません。 1 mm BGA および 0.8 mm BGA は、ドッグ ボーン ファンニングに適している場合があります。

BGA 間隔が 0.5 mm 未満の場合、パッド エスケープ ケーブル技術のマイクロビアが推奨されます。 マイクロ ビアは、小さなトレースをパッドの側面にルーティングするのではなく、パッドに直接配置されます。 はんだコアが回路基板の裏面に吸収されるのを防ぐために、マイクロポアに導電性エポキシ樹脂を充填し、銅でメッキします。

BGAエスケープ配線用マイクロウェル

パッド サイズ (リングを含む) が細かい間隔の BGA に対して十分に小さい場合、マイクロ ホールは内部 BGA エスケープ配線に使用されます。 以下の特徴により、マイクロポアは従来のポアと区別されます。

ビアの長さ: ビアはせいぜい 1 層または 2 層しか通過できません。 標準厚 PCB の層数が非常に多い場合、スルーホールはより多くの層にまたがることができますが、これには追加の製造手順が必要になります。 可能な限り、単層を横切るスタック ブラインド ホールと埋め込みホールを使用する必要があります。

微細孔のアスペクト比：微細孔のアスペクト比（深さを直径で割った値）は0.75：1とする。 32 プライの厚板の例を考えて、同じことを理解してみましょう。 層の厚さ (2 層コアの場合) は 2 ミルであるため、直径は 2.7 ミル以上にする必要があります。

マイクロ スルー ホールは、安全に 8 ミルまで機械的に穴あけすることしかできませんが、穴あけが頻繁に中断されるため、メカニカル PCB に 8 ミル穴を開けるコストは、レーザー穴あけの価格に近くなる可能性があります。 機械的貫通穴のスループットは、ビットの破損を避けるために機械的穴あけを慎重に実行する必要があるため、レーザー穴あけよりも低くなります。 したがって、レーザー穴あけの使用を開始すると、プレートあたりの総コストが削減されます。

0.8mm 間隔の BGA でドッグ ボーンをファンアウトするには、配線幅を 10 ミル以下にし、マイクロポアを小さくする (約 6 ミル) 必要があります。 より細かい間隔 (0.5 mm) のボール グリッド アレイの場合は、7 mil または 8 mil を介して内層に配線するために、充填およびめっきされたはんだパッドの内側の穴を使用します。 これにより、隣接するパッド間に十分なスペースが確保されます。

設計スタイルに関係なく、必要な配線密度を達成するために、細孔を積み重ねたりずらしたりできます。 IPC 6012 の要件は、マイクロポアと周囲のリングのサイズの最適な信頼性を確保するために採用されています。 BGA エスケープ ルーティングのパッドのマイクロ ホールの相関関係は、BGA の間隔が場合によっては 0.3 mm まで小さくなるという事実によって理解できます。

エスケープ ルーティング用のブラインド ホールの配置方法

内部配線スペースの止まり穴方式。

止まり穴は貴重な HDI 設計方法であり、追加の内層配線スペースを空けることができます。 ビア間に使用すると、これらのタイプのビアは内層の配線スペースを 2 倍にします。 内部 BGA ラインのピンを接続するための追加ルーティングが可能です。

この方法では、高 I/O BGA を接続するために信号層の 4 分の 1 が必要です。 ブラインド ホールは、大通りを形成するために十字、L 字型、または斜めのパターンで配置されます。 電源ピンとグランド ピンの割り当てによって、使用する構成が決まります。

ブラインドホールを十字、L字、斜めに配置することで、内層に大通りを作り、より高密度の配線や脱出を可能にします。

説明: 「各レイヤーはより多くのルートを接続でき、大通りを使用して追加の配線スペースを作成することで、信号レイヤーの総数を減らすことができます。ブラインド ホールを使用して、4 つの十字形の大通りを作成します。新しく設計された大通りは、さらに 48 のエスケープ ルートを提供します。 (8 x 6 ルート) をレイヤごとに配置し、内部ルートのシグナル インテグリティを向上させます。これにより、2 つのケーブル レイヤと 2 つの基準面を削除できます。」

さらに、「回路基板の二次側では、ブラインド ホールを使用して大通りを作成するもう 1 つの利点が見られます。スルー ホールは回路基板全体にまたがっていますが、BGA では大通りが開いています。

ファンアウトの長さと配線幅

高速 IC を使用する場合、ほとんどの場合、インピーダンスが要因になります。 ファンアウト配線とインピーダンス制御の関係は、ファンアウト部分の長さを確認するときに出てきます。 配線長 (存在する場合) とビアの寄生容量/インダクタンスにより、BGA ファンアウト部分にはインピーダンスがあります。

まず、信号帯域幅をチェックして、信号がルーティング インピーダンスを拾うかどうかを判断します。 配線長が帯域幅の上限に対応する波長よりも明らかに短い場合、BGA ファンの配線部分は無視できます。 最良の方法は、負荷インピーダンスを計算することです。これは、ファン アウト ルートの長さと、ファン アウト ルートによって作成されるネットワーク入力インピーダンス (ネッキング後) の関数です。

適切な近似値として、信号波長に必要な長さの 10% 制限を使用します。 変曲点周波数が 20GHz のデジタル信号を慎重に 10% に制限すると、臨界長は 0.73mm になります (FR4 基板のストリップライン)。 これは、FPGA などの大規模な IC が、シングルエンドおよび差動ペアに対してインピーダンス整合ファンアウトを提供する必要があることを意味します。

ビア インダクタンス、回路基板とパッド間の寄生容量、および IC のピン インダクタンスは重要です。 ローパスTフィルター回路はこれらの部品で構成されています。 3dB カットオフ周波数は、スルーホール インダクタンスがピン インダクタンスと等しく設定されている場合、LC 共振回路から評価できる典型的な数値にすぎません。 T フィルター回路は、ドライバー IC の出力インピーダンスを変更するためのインピーダンス整合回路として使用されます。

スルーホールインダクタンス、基板とボンディングパッド間の寄生容量、ピンインダクタンスを主成分とするローパスTフィルター回路です。

ファンアウト トレースと内部トレースを接続するビア部分のインピーダンスが不確かな場合、ファンアウト部分のインピーダンス マッチングは困難です。 ただし、ビアが短く、複数の層に直接またがっている限り、この事実は無視できます。 ビアと内部配線を含む総入力インピーダンスは、いくつかの層にわたる内部配線インピーダンスによって決まります。 これが、スルーホール インピーダンスが通常考慮されない理由です。

主な欠点は、高速 BGA コンポーネント (FPGA など) をドリルバックして、BGA ファンアウトの下に残っているスルーホール スタブを除去する必要がある場合があることです。 HDI を使用する場合、非常に小さな直径のブラインド ホール、埋め込みホール、およびレーザー ドリル加工のマイクロ ホール (IPC によると 6 ミル未満) が使用されます。これにより、バック ドリル加工が不要になり、スルーホール インダクタンスがスパン層の厚さに制限されます。

層の数が増えると、層の厚さと配線基準面までの距離が減少するため、配線幅を小さくしてインピーダンスを適切な値に補償および維持する必要があります。 差動ペアを使用する場合は、ルーティング カップリングを検討してください。 インピーダンス制御を実現するために、統合されたフィールド ソルバーを備えた PCB 設計ソフトウェアは、HDI レイヤー スタックの正しい配線幅を設計するのに役立ちます。

配線幅をパッドサイズより大きくできないのはなぜですか?

配線の幅はそのインピーダンスに比例し、HDI 状態に入ったときに重要な役割を果たします。 ビアは非常に小さくなるため、配線幅が十分に小さくなると、マイクロポアとして製造する必要があります。

インピーダンス制御の配線幅が広すぎる場合は、PCB ラミネートの厚さを減らして薄くするか、パッド サイズを大きくしてください。 信頼性の観点から、IPC規格で規定されている数値以上のパッドサイズであればOKです。

PCB スタックのインピーダンス曲線を作成し、この幅を設計ガイドとして使用します。 インピーダンス制御に必要な幅を計算したら、この値をデザイン ルールとして指定するだけです。 推奨される配線幅でクロストーク シミュレーションを実行して、過剰なクロストークが発生するかどうかを確認することをお勧めします。

HDI でのインピーダンス整合は、コンポーネントと配線が近接して配置されているため、信号品質の維持に関連しています。 したがって、インピーダンスを制御することは信じられないほどの作業になります。 マイクロポアの効果的な使用は、インピーダンス整合 HDI システムの鍵です。 より細かい間隔のBGAとドッグボーンファンアウト方式のエスケープ配線技術を使用して、HDIでのインピーダンス整合を実現できます。 回路基板設計および回路基板処理メーカーは、HDI PCB 設計でインピーダンス整合方法を共有する方法を説明しています。