インピーダンス制御配線のためのレイヤースタックの設定

配線が回路の一部となるとき

デバイスのスイッチング速度が上がるにつれて、プリント基板の設計者と製造者に対する要求も高まります。信号のスイッチングエッジの長さが、それを運ぶPCBトレースの長さよりも短くなると、そのトレースは回路の一部として扱わなければなりません。そのトレースにはインピーダンスがあり、これを特性インピーダンス（Zo）と呼びます。

これらの追加的な回路要素の影響を管理する最良の方法は、特性インピーダンスが長さ全体で一貫しているようにトレースの配線を設計することです。これは制御インピーダンス配線と呼ばれる技術です。

トレース配線のインピーダンスは以下によって定義されます：

• トレースの断面積 - トレースの幅、高さ（銅の厚さ）、およびエッチングプロセス中に作成されたトレースの端の傾斜から決定されます。
• トレースから基準平面までの距離 - 信号エネルギーの戻り経路は、信号の経路と同じくらい重要であり、この戻り経路は隣接する基準平面内の信号経路に沿っています。
• 周囲の材料の特性 - 信号内のエネルギーはトレースの銅内に含まれているわけではなく、スキン効果により、トレースを取り巻く誘電体材料を通っても移動します。誘電体材料の誘電率は、その誘電体がそのエネルギーの流れにどれだけ影響を与えるかの尺度を与えます。

Simbeorインピーダンス計算機は、指定されたインピーダンスを達成するために必要な幅を計算します。

インピーダンスの計算

従来のPCB設計では、設計者は現在/電圧要件を満たすためにトレースの幅/クリアランスを指定します。

制御インピーダンス設計では、設計者はトレース幅ではなくインピーダンスを指定します。組み込みのSimbeor^®インピーダンス計算機を使用して、PCBエディタのLayer Stack Managerは、指定されたインピーダンスを提供するために必要なトレース幅を計算します。

Simbeor SFS

インピーダンスはSimbeor SFS、準静的フィールドソルバーによって計算されます。Simbeor SFSは、モーメント法に基づく高度な準静的2Dフィールドソルバーであり、収束、比較、および測定によって検証されています。このソルバーは誘電体と導体の境界をメッシュ化し、対応する方程式を解いて、テレグラフ方程式のための周波数依存のRLGC行列を構築します。

Simbeor SFSは全波ソルバーではありません。これは、PCBインターコネクト内で伝播する波の準TEM性質のため、インピーダンス、遅延、または減衰を評価するためには必要ありません。そのような波は、準静的2Dフィールドソルバーで抽出されたRLGCパラメーターを使用して正確にシミュレートすることができます。

Simbeor SFSソルバーのユニークな特性は、導体の粗さモデルをサポートしていることです。ただし、多層導体モデル（めっき）はサポートされておらず、粗さはすべての導体に共通です。このソルバーは準静的です。なぜなら、高周波数でのマイクロストリップラインで発生する高周波分散（高い誘電率を持つ誘電体内の場の高い集中）を解に含まないからです。 ► Simberian電磁信号整合技術についてもっと学ぶ サポートされるPCB構造 以下のPCB構造に対してインピーダンスを計算できます：

• マイクロストリップ
• 対称ストライプライン
• 非対称ストライプライン
• 単一および差動共面構造
• 異なる誘電特性を持つ複数の隣接する誘電体層。

インピーダンスプロファイルの作成と設定

特定のインピーダンスを提供するために必要なトレース幅は、Layer Stack ManagerのImpedanceタブで設定されるインピーダンスプロファイルの一部として計算されます。

基づいています：

• Impedanceタブで設定する目標インピーダンス、目標許容誤差、粗さの値、および
• Stackupタブで定義された材料設定、これには以下が含まれます:
  • 信号層の厚さ、
  • 周囲の誘電体層の厚さ（基準平面からの距離）、および
  • 誘電体材料の特性（誘電率Dk、損失因子Df）。

これらが正しく設定されると、インピーダンス計算機は以下を計算するために十分な情報を持っています:

• トレース幅
• 計算されたインピーダンス (Z)
• インピーダンス偏差 (Z 偏差)
• 伝搬遅延 (Tp)
• 単位長さあたりのインダクタンス (p.u.l.)
• 単位長さあたりのキャパシタンス (p.u.l.)

計算された値は、Transmission LineセクションのProperties パネルに表示されます。これは、Layer Stack ManagerでImpedanceタブが選択されたときに以下のように表示されます。

トップレイヤーで配線された単一ネットに定義された50Ωのインピーダンスプロファイルです。画像にカーソルを合わせると、L3レイヤーの同じプロファイルの設定が表示されます。
(画像提供: FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com)。

新しいインピーダンスプロファイルの追加

1. Layer Stack Managerで Impedanceタブに切り替えます（上記のように）。
2. ボタン（または、プロファイルが既に定義されている場合は ボタン）をクリックして、新しいプロファイルを追加します。
3. Properties パネルで必要なインピーダンスのタイプ、目標インピーダンス、および目標許容誤差を定義します。説明はオプションで、インピーダンスプロファイル名が表示される場所に表示されます。
4. レイヤーのグリッドは2つの領域に分かれています。スタックアップ内のレイヤーは左側に表示され、スタックアップ内の各信号レイヤーに対して、インピーダンスプロファイル領域の右側にレイヤーが表示されます。プロファイル領域のレイヤーチェックボックスを使用して、そのレイヤーのインピーダンス計算を有効にします。上記の画像を例に、最も左の列に表示されているレイヤー番号を参照して、L1、L3、L10、およびL12のレイヤーチェックボックスがオンになっており、インピーダンス計算のために有効になっています。
5. プロファイル領域で有効にされたレイヤーをクリックすると、その選択された信号レイヤーのインピーダンスを計算するために使用されるレイヤーを除いて、レイヤースタック内のすべてのレイヤーがフェードアウトします（上記の画像に示されています）。インピーダンスプロファイル領域のTop RefおよびBottom Ref列で、そのレイヤーの参照レイヤーを編集します。参照レイヤーは、PlaneまたはSignalのいずれかのレイヤータイプを持つことができます。例えば、上記の画像では、スタックアップ内のレイヤーL10がインピーダンス計算のために有効になっており、Top Refは9-L9に設定されています。これはPlaneレイヤーで、Bottom Refは11-L11に設定されています。これはSignalレイヤーです。ソフトウェアは、信号レイヤーが参照プレーンとして使用される場合、それが電源またはグラウンドネットに接続された連続した銅の平面を含んでいると想定します。
6. このインピーダンスで配線を行う他の各レイヤーのインピーダンスプロファイルチェックボックスを有効にし、参照プレーンを設定します。上記の画像にカーソルを合わせると、レイヤーL3のS50インピーダンスプロファイルが表示されます。

幅とギャップ設定の調整

目標インピーダンスと目標許容誤差から、ソフトウェアはトレース幅を計算します。計算されたトレース幅が、例えば0.0683mmのように、注文できない値であることは珍しくありません。製造業者は、利用可能な材料の厚さとトレース幅の精度をどれだけ達成できるかを助言します。その後、望ましい値から始めて、利用可能な寸法に調整したときの計算されたインピーダンス値への影響をテストするプロセスになります。

この設定のテストと調整のプロセスをサポートするために、インピーダンス計算機は前方および後方のインピーダンス計算をサポートしています。デフォルトモードは前方です（インピーダンスを入力し、ソフトウェアが幅を計算します）。 アイコンは計算された変数を示しています。

  目標インピーダンスが50Ωの場合、前方計算での幅（W1）は94.6µmとなり、右の画像は幅（W1）を95µmに設定した場合の逆計算を示しています。

計算を逆にして、選択したレイヤーの異なるトレース幅を探るには、新しい幅 (W1)の値を入力してキーボードのEnterを押します。計算された値は、その幅に変更する影響を反映して更新されます。 ボタンをクリックすると、計算機が前方計算モードに戻ります。幅 (W2)に新しい値を入力すると、エッチング値が変わります。

差動ペア伝送線路の結果を探るために、計算された変数 - トレース幅またはトレース間隔 - を選択してください。適切な ボタンをクリックして指名します。他の変数を編集して目標インピーダンスを変更するか、または目標インピーダンスを変更して他の変数への影響を探ります。

エッチングファクター

PCB上の信号トレースは、不要な銅をエッチングで除去することによって製造されます。エッチャントが表面の銅をエッチングし始めるため、この銅はエッチャントとより長い時間接触します。その結果、トレースの完成した端は傾斜を持ち、下の画像に示されているように、完成したトレースの断面積が減少します。

エッチング中に失われるトレース端の銅の面積（両端）= X * Y

傾斜の量はエッチファクターと呼ばれ、以下のように定義されます：

エッチファクター = Y/X

もし Y = X ならば、エッチファクター = 1

Properties パネルに示されている画像を参照してください：

カーソルを ? の上に置くと、式が表示されます。

エッチングファクターの標準的な定義は、トレースの厚さ / オーバーエッチングの量の比率として指定することです。これにより、以下の式が得られます：

エッチング係数 = T/[0.5(W1-W2)] このアプローチの欠点は、エッチングの過剰を指定しない（つまり、トレースの端が垂直であることを意味する）ためには、エッチング係数にinf（無限大）の値を入力する必要があることです。エッチングの量を指定することを簡単にするために、式は逆転され、エッチングの過剰がないことを示すために0（ゼロ）の値を入力できるようになりました。 エッチング = [0.5(W1-W2)]/T

• エッチングファクターを計算から除外するには（トレースエッジに沿って傾斜が生じないことを指定する）、値を0（ゼロ）に設定します。エッチングファクターの逆数を使用することで、エッチングなしでの設定が簡単になります。
• エッチングファクターがそのプロセスによってどのように作成されるかについては、ボード製造業者に相談してください。

銅の向き

エッチングファクターに寄与するもう一つの製造詳細は、銅の向きです。PCBのトレースは、誘電体基板にラミネートされた連続した銅シートから不要な銅をエッチングによって除去することで形成されます。銅の向きは、その基板から銅が突出する方向を定義します。また、銅が上からまたは下からエッチングされる方向と考えることもできます。

「トレース反転」チェックボックスをクリックして、銅の向きを上から下へ切り替えます。

導体表面の粗さ

プリント基板の各銅層の表面には、ある程度の粗さがあります。PCB製造中に銅層の表面は粗く処理され、銅と誘電体層との接着を向上させます。この表面の粗さは、10 GB/sを超えるスイッチング速度で導体のインピーダンスに大きな影響を与えるようになります。広範な研究と分析を通じて、業界の専門家は表面粗さを表面粗さと粗さ係数の値から導き出される粗さ補正係数でモデル化できると結論付けました。

粗さの設定は、Properties パネルのLayer Stack Managerモードで利用可能です。これらのパラメータは導電層にのみ使用されます。

表面の粗さは特性インピーダンスの計算に含まれます。

粗さ：

• Model Type - 表面粗さの影響を計算するための推奨モデル（さまざまなモデルに関する詳細は以下の記事を参照してください）。サブスタック内のすべての銅層に適用されます。
• Surface Roughness - 表面粗さの値（製造業者から入手可能）。0から10µmの間の値を入力してください、デフォルトは0.1µmです
• Roughness Factor - 粗さの効果による導体損失の予想される最大増加を特徴づける。1から100の間の値を入力してください、デフォルトは2です。

さらに読む

• 導体の粗さがインターコネクトの信号損失と分散に与える影響を分析するための実用的方法論：Y. Shlepnev, C. Nwachukwu, DesignCon2012。
• インターコネクト導体表面の粗さモデリングに対する統一的アプローチ：Y. Shlepnev, 2017 IEEE 第26回電子パッケージングおよびシステムの電気性能に関する会議 (EPEPS2017)

共面伝送線路構造のサポート

Layer Stack Managerのインピーダンス計算機は、単一および差動共面構造をサポートしています。新しいインピーダンスプロファイルを作成し、インピーダンスプロファイルのタイプドロップダウンリストからSingle-CoplanarまたはDifferential-Coplanarを選択します。

共面構造の操作：

• 標準の単一および差動インピーダンスと同様に、各変数の値は、ユーザー定義の目標インピーダンスと目標許容誤差、およびボード層の物理的特性に基づいて自動的に計算されます。これらの自動計算された値は、Properties パネルのLayer Stack Managerモードの編集ボックスに新しい値を入力することで調整できます。
• 共面構造で配線される信号ネットをターゲットにするには、Use Impedance Profileオプションが有効になっている配線幅（または差動ペア配線）設計ルールを構成し、必要な共面インピーダンスプロファイルを選択します。
• 共面構造には、信号ルートの両側に参照平面が必要です。これは、配置したポリゴンによって、またはステッチングビアが追加された場合には、Add Shielding to Netコマンドによって作成できます（以下で詳細情報）。ポリゴンを配置する場合、このポリゴンと信号ルートとの間の隔離は、Simbeorインピーダンス計算機によって決定されたクリアランス値によって定義されます（上記および下記の画像に表示されているProperties パネルに表示）。参照ポリゴンと信号ルートの間のクリアランスを制御するために、クリアランス設計ルールを構成します（画像を表示）。
• 共面構造が接地されている場合、信号トレースの両側にビアフェンスを含めることは一般的な習慣です。これを行うには、PCBエディタのTools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Netコマンドを使用します。ビアを配置するだけでなく、このコマンドにAdd shielding copperオプションを有効にすることで、右下の画像に示されているように、ビアフェンスを覆うポリゴンを信号配線の周りに配置することもできます。
  ► ビアシールディングについてもっと学ぶ

  インピーダンス計算機は信号特性とクリアランスを決定します（最初の画像）。そのクリアランスをビアシールディングの距離設定に使用します。

レイヤー材料の選択

制御インピーダンス設計において、レイヤースタックアップで使用される材料の選択は非常に重要です。

たとえば、PCBを製造するために最も一般的に使用される材料は、ガラス繊維（ファイバーグラス）で強化されたエポキシ樹脂で、両面に銅箔が貼り付けられています。ガラス繊維布の織りの密度は、誘電率Dk（誘電率）と損失正接Dfの値と一貫性に影響を与えます。織られたガラス繊維の周りには樹脂があり、使用される樹脂の割合も材料の性能に重要です。 利用可能なガラス繊維の織りは多岐にわたります。PCB製造に使用されるガラス繊維ベースの材料の予測可能性と性能を確保するために、IPCは織りに関する標準を持っています：

IPC標準 IPC-4412B：プリント基板用「E」ガラスから織られた完成布の仕様

材料ライブラリ

設計者として、Layer Stack Managerで直接材料のプロパティを編集することも、Altium Material Libraryから材料を選択することもできます。

ライブラリ全体は、Altium Material Library ダイアログ（Tools » Material Library）で閲覧（および追加）できます。

材料は使用カテゴリに分類され、ダイアログの左側にあるツリー構造を通じてアクセスされます。このレベルの下では、各使用カテゴリが機能カテゴリに分けられており、例えば：導電層材料、誘電体層材料、そして表面層材料がPCB層材料カテゴリに含まれます。

材料の追加、保存、および読み込み

特定の材料カテゴリがツリーで選択されると、新しい材料をライブラリに追加できます。外部材料ライブラリで定義された材料は（Load ボタン）で読み込むことができ、Altium Material Libraryダイアログで追加されたユーザー定義の材料もユーザーライブラリに保存できます（Saveボタン）。保存されるのはユーザー定義の材料のみです。

材料にカスタムプロパティを追加する

ライブラリに詳細な材料（デフォルトおよびユーザー定義の材料）にカスタムプロパティを追加できます。カスタムプロパティを追加するには、まず左のツリーで正しいノードを選択して、追加する材料を定義し、その後 ボタンをクリックしてMaterial Library Settingsダイアログを開きます。

必要な値は、Altium 材料ライブラリダイアログで選択された材料に追加できます。行を選択して編集ボタンをクリックします。

インピーダンスプロファイルを配線に適用する

制御インピーダンス配線は、正しいインピーダンスを提供するために配線幅を設定することに関係しています。これは、各信号層で配線幅が異なる可能性があることを意味します。これは、PCBルールと制約エディタ（Design » Rules）で設計ルールが設定されるときに、特定の配線幅ではなくインピーダンスプロファイルを割り当てることによって管理されます。これが行われると、ソフトウェアは自動的に層に適した幅を設定します。

必要なインピーダンスプロファイルは、適用される配線幅設計ルール（個々のネット用）、または差動ペア配線設計ルールで選択されます。

この配線幅のルールはDRAMネットのクラスを対象としています。S50インピーダンスプロファイルが配線幅を定義しており、配線される層によって変更されます。

• Use Impedance ProfileオプションをConstraints領域の設計ルールで有効にします。ドロップダウンリストには、適切なタイプ（シングルまたはディファレンシャル）のすべての利用可能なインピーダンスプロファイルが含まれています。この設計ルールの対象となるネットに必要なプロファイルを選択します。
• プロファイルが選択されると、そのプロファイルの幅設定がルール内のPreferred Width設定に適用されます。これは、プロファイルに有効にされた各信号層に対して行われ、そのプロファイルに有効にされていない他のすべての信号層は削除されます。
• インピーダンスプロファイルが適用されると、Preferred Widthの設定はもう編集できません。Min WidthとMax Widthの設定は引き続き編集できますので、適切な小さい/大きい値に設定してください。
• その後、通常の方法でネットをインタラクティブに配線できます。

► 制御インピーダンス・配線についてもっと学ぶ