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DFM チェック
特性インピーダンス
エンジニアリングチートシート
一般的なプロトコル
材料選択ガイド
- 標準FR-4 (Tg 130-150)
低コスト。<1GHzデジタル回路に適しています。高損失正接 (Df ~0.02)。
- 高Tg FR-4 (Tg 170+)
多層基板に適しています (>6L)。Isola 370HR。
- 低損失 / 高速
10Gbps+に必須。Megtron 6, Rogers 4350B。低Df (~0.002)。
製造制限 (DFM)
PCB設計のインピーダンス基礎
信号完全性エンジニアの必須知識。これらの概念をマスターして、信頼性の高い高速回路を設計しましょう。
特性インピーダンス (Z₀) とは？
特性インピーダンスは、伝送線路に沿って伝播する波の電圧と電流の比です。これは、トレースの物理的な形状（幅、厚さ、グランドプレーンからの高さ）とPCB材料の誘電率(Dk)に依存します。無損失線路の場合、Z₀ = √(L/C)、ここでLは単位長さあたりのインダクタンス、Cは単位長さあたりの容量です。
主要なインピーダンス公式
マイクロストリップインピーダンス
外層トレースの近似値。W/H > 0.1 および εᵣ < 16 の場合に有効。
εᵣ誘電率 (Dk)Hグランドプレーンまでの高さWトレース幅Tトレース厚さストリップラインインピーダンス
2つのグランドプレーン間の内層トレース用。EMIシールドが優れています。
εᵣ誘電率H総誘電体高さWトレース幅Tトレース厚さ伝播遅延
信号が1インチ伝播するのに必要な時間。タイミング解析に重要。
tpd伝播遅延εᵣ実効誘電率差動インピーダンス
差動ペア用。kはトレース間の結合係数。
Zdiff差動インピーダンスZ₀シングルエンドインピーダンスk結合係数 (0-1)表皮深さ
電流密度が37%に低下する深さ。高周波損失に影響。
δ表皮深さρ抵抗率 (銅: 1.68×10⁻⁸ Ω·m)f周波数 (Hz)ビアインダクタンス
Johnsonのビアインダクタンス公式。電源整合性に重要。
hビア高さ (インチ)dビア直径 (インチ)Lインダクタンス (nH)クイックリファレンステーブル
一般的なPCB材料
| 材料 | Dk | Df | 用途 |
|---|---|---|---|
| FR-4標準 | 4.2-4.5 | 0.02 | 汎用, <3Gbps |
| FR-4 High Tg | 4.2-4.4 | 0.018 | 鉛フリー、高温 |
| Isola 370HR | 4.04 | 0.021 | 高信頼性 |
| Megtron 6 | 3.4 | 0.002 | 高速, 25Gbps+ |
| Rogers 4350B | 3.48 | 0.0037 | RF/マイクロ波 10GHzまで |
| Rogers 4003C | 3.55 | 0.0027 | 低コストRF |
標準インピーダンス目標
| インターフェース | Z₀ (SE) | Zdiff | 備考 |
|---|---|---|---|
| DDR4/DDR5 | 40Ω | 80Ω | ±10% 許容差 |
| USB 2.0 | 45Ω | 90Ω | ±10% |
| USB 3.x/4 | 45Ω | 85Ω | ±10% |
| PCIe Gen3/4/5 | 50Ω | 85Ω | ±10% |
| HDMI 2.x | 50Ω | 100Ω | ±10% |
| Ethernet 1G | 50Ω | 100Ω | ±10% |
| SATA | 50Ω | 100Ω | ±15% |
銅箔重量変換
| 重量 (oz) | 厚さ (mil) | 厚さ (μm) | 電流 (A/mm) |
|---|---|---|---|
| 0.5 oz | 0.7 mil | 17.5 μm | ~3A |
| 1 oz | 1.4 mil | 35 μm | ~6A |
| 2 oz | 2.8 mil | 70 μm | ~12A |
| 3 oz | 4.2 mil | 105 μm | ~18A |
表皮深さ vs 周波数
| 周波数 | 表皮深さ | 影響 |
|---|---|---|
| 100 MHz | 6.6 μm | 影響最小 |
| 1 GHz | 2.1 μm | 0.5ozに影響開始 |
| 5 GHz | 0.93 μm | 顕著な損失 |
| 10 GHz | 0.66 μm | 平滑銅箔使用 |
| 25 GHz | 0.42 μm | 重要 - HVLP必須 |
マイクロストリップ vs ストリップライン比較
マイクロストリップ
外層トレース
- 伝播速度が速い (FR-4で約6.4 in/ns)
- プローブとデバッグが容易
- 製造コストが低い
- EMI放射が高い
- クロストークの影響を受けやすい
ストリップライン
内層トレース
- 優れたEMIシールド
- トレース間のクロストークが低い
- より一貫したインピーダンス
- 伝播速度が遅い (約5.8 in/ns)
- テストアクセスが困難
インピーダンス制御のプロのヒント
クロストークを最小限に抑えるため、トレース間隔 ≥3× トレース幅を維持。重要な信号には5Wを使用。
高速トレースの下に常に連続したグランドプレーンを確保。分割やスロットを避ける。
DDRの場合、データラインを±10mil以内でマッチング。短いトレースにはサーペンタインルーティングを使用。
>10Gbps信号にはビアバックドリルを実施。スタブはλ/4周波数で反射を引き起こす。
エンジニアがImpedanceCalculatorを信頼する理由
高精度物理エンジンとAIを組み合わせて、数秒で信号完全性の問題を解決。
リアルタイム精密物理
IPC-2141準拠のソルバーがインピーダンス、インダクタンス、キャパシタンスを即座にフィードバック。
- 即座のフィードバック
- IPC-2141準拠
- マイクロストリップとストリップライン
AI駆動分析
統合AIが形状を分析し、製造リスクと物理的制限を検出。
- アシッドトラップ検出
- 高損失警告
- スタックアップ最適化
周波数依存損失
信号完全性のため、目標周波数範囲での挿入損失を計算。
- 誘電損失 (Df)
- 表皮効果損失
- 粗さモデリング