高速信号伝送プリント基板の開発
八木飯長

貴弘
裕小池

清

データ通信の高速・大容量化に伴い、デジタル信号のは部品パッドやビアを含む線路のインピーダンス整合に高速化が著しい。伝送方式もパラレル伝送からシリアルより実現している。また、板厚の厚いバックプレーン

伝 送 に 移 行 し 、 汎 用 イ ンタ ーフェ ース に お い て もなどでは、ビアのスタブ（伝送線路から枝分かれした8Gbps（PCI Express Gen3）や10Gbps（USB 3.1）などの配線部分で、ここではその先端がオープンとなっている

高速伝送レートが適用され始めている。通信分野では配線部分）に起因した共振が生じるため、スタブ除去が更なる高速化に向けてサーバーのバックプレーン伝送必須となっている。

レートが25Gbps（CEI-25G LR)から28Gbpsと高速化の加えて高速シリアル伝送に用いられる差動信号では、一途をたどっている。 図 1は高速インターフェースのペア配線間の平衡度が伝送路の特性に大きな影響をトレンドを示しており、今後更に40Gbpsを超える電気与 える 。 差 動 信 号 の 不 平 衡 は イ ン ピー ダ ンス 変 化 や伝送の実用化が検討されている。

ス キ ュ ー（ 複 数 信 号 間 の 伝 搬 遅 延 時 間 の 差 ）の 増 加 、

当 社 で は 、 こ れ まで 通 信 分 野 で 培 わ れ た 高 多 層 ・
特性インピーダンス制御技術を基に高速信号伝送プリ

差 動 同 相 変 換 を ま ね き、 信 号 品 質 劣 化 だ け で は な く
放射ノイズ増加の要因ともなる。

ント基板を設計・製造してきているが、昨今の25Gbps

こ れ ら 課 題 を 解 決 する た め に 材 料 、 設 計 、 製 造 のを超える高速プリント基板では、従来技術の延長による総合的な対応技術が必要となるが、ここではスキューの信号品質を確保することが難しくなってきている。

低減とビアのスタブ除去の手法について述べる。

本稿では、25Gbpsを超える高速信号伝送プリント基板のために開発した設計・製造、および特性評価手法について紹介する。

高速化への対応技術（1）高速差動信号におけるスキュー低減①スキュー発生要因
プリント基板に用いられるFR-4（Flame Retardant
Type4：ANSI規格における難燃性の基板材料）は、エポキシ樹脂とガラス繊維を束ねた縦糸と横糸で構成されたガラスクロスによる複合材料である。比誘電率は、前者が3.6、後者が6.6と大きく異なる。差動ペアの各配線上下の樹脂、ガラスクロスの分布により2線間の伝搬時間に差が生じ、特に高速信号では波長が短くなる

図 1 高速インターフェースのトレンド（出展：ITRS 2013 Edition（JEITA 訳）,7 章 ,48 頁 , 図 14）ことから、このスキューが信号品質劣化の要因となる1）。
図 2に具体例として差動ペア配線の各インピーダンスと、線路２箇所の断面写真を示す。パターン位置Aでは２本の配線上下にガラスクロスが対称に分布しているが、36

高速信号伝送プリント基板の課題

パターン位置BではPosi配線上部には樹脂が多く分布

高 速 信 号 を プ リ ン ト 基 板 に 伝 送 する た め の 最 重 要しており、Nega配線と非対称になっている。このため、項目は、伝送線路の損失低減と反射低減による通過

パターン位置BではPosi配線周囲の比誘電率が低くなり、特性の確保である。前者は低誘電率・低誘電正接基材

Nega配線よりもインピーダンスが高くなっている。の使用による誘電損失低減と、信号線幅拡大や銅箔表面スキュー低減には設計と材料による２通りのアプの平滑化による導体損失低減により実現している。後者

ローチがある。前者はガラスクロスの繊維方向に対してOKI テクニカルレビュー
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信号配線を傾けてレイアウトするアングル配線手法である。後者は扁平したガラス繊維束で編まれた開繊ガラスクロスの使用により、樹脂とガラスクロスの分布を均一化することで比誘電率の差が大きい部分を減 少 さ せる 手 法 で あ る 。 た だ し 、 こ の ア プ ロ ー チ はコストアップを伴うとともに 、樹脂とガラスの比誘電率の差は依然残るため、どちらの手法でも高速信号伝送を考えると、アングル配線によるスキュー対策が必要となる。

図3

配線角度とスキューの関係0度では最大10.4psのスキューが発生し、ばらつきも大きいが、配線角度をつけることにより想定通りスキューが低減している。
次に 、配線角度と伝送線路特性の関係を検証した 。
スキュー評価結果で影響の大きい0度と影響の少ない11度の差動通過特性（Sdd21）を 図 4（a）に、差動同相変換量（Scd21）を 図4（b）に示す。この結果から、次のことが確認できる。
1）0度配線ではボード間の通過特性のばらつきが大きく損失が増加する傾向にあるが、アングル配線の適用によりばらつきが低減する。
2）通過特性ばらつきの大きい0度配線では差動同相変換量も最大-12dBと大きいが、アングル配線適用
図2

差動配線の断面とインピーダンスにより-30dB以下に低減する。
3）11度配線では36GHzに共振がみられる。

②スキュー低減効果の検証
ガラスクロスが信号特性に影響を与える条件としては、「ガラスクロスの繊維密度と周期」、「樹脂とガラスの比誘電率」、「ガラスクロスに対するペア配線の角度」、「伝送する信号の周波数」の４つがある。ここでは一般的な基材を用いて差動配線の角度とスキューの関係を調べた。 表１に基板仕様と評価パラメーターを、 図 3に各配線角度におけるスキューのBest/Worst値を示す。

表1（a）差動通過特性（Sdd21）基板仕様、評価パラメーター

使用基材

0.1mm ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ#2116（IPC 規格）
Resin Content 56%

配線仕様

差動 100Ω（L/S=0.12mm/0.25mm）

配線長200mm

配線角度

0 〜 11 度（縦糸方向を基準）

評価項目

スキュー
（N=10）（b）差動同相変換量（Scd21）
図4

配線角度と送線路特性

0度配線の差動同相変換の増加は、ガラスクロスによる差動ペア配線の不平衡に起因する。その結果、通過O K I テクニカルレビュー
2015 年 5 月／第 225 号 Vol.82 No.137

特性のばらつきやスキューが生じるが、アングル配線に精度が一般的であるが、このスタブ残りにより 図 7に示すより改善されることが確認できた。しかしながら、アンような通過特性の劣化が生じている。

グル配線によりあらたに発生する共振は他の周波数でも確認されており、対策が必要となる。
③最適な配線角度の検討
ア ングル 配 線 に よ り 生 じ る 共 振 周 波 数 か ら 波 長 を算出した結果、信号配線がガラスクロスの縦糸を通過するピッチと概ね一致した。
図6

図５に評価基板に用いたガラスクロス（表１）の仕様2）

バックドリル加工と、信号配線が縦糸を通過するピッチから求めた共振周波数を示す。配線角度11度では36.1GHzとなり、評価
基 板 で み ら れ た 共 振 周 波 数 と 概 ね 一 致 する こ と が わ
かった。この共振周波数が信号の動作周波数の奇数次高調波に重なると、伝搬する信号品質が大きく劣化する。
したがって、使用するガラスクロスのピッチと配線角度から縦糸を通過する配線周期（P）を求めることで予め共振周波数の予測ができ、信号の基本周波数に重ならない配線角度が最適条件となる。
本設計手法を用いることで、ガラスクロスの織りの図7

スタブ残りによる通過特性への影響影響を低減させることができた。
②バックドリルの精度向上
25Gbps以上の高速信号伝送プリント基板に向けた高精度バックドリル加工方法を開発した。従来工法では、ターゲット層までの加工深さを非破壊で正確に把握することが困難であるため、スタブ残りを小さくすることが難しかった。そこで、新たにターゲット層までの深さを電気的に測定する手法を採用することで、基板表層からターゲット層までの深さを高精度に測定することが可能となった。この手法を用いて、スタブ長が通過特性へ与える
図5

ガラスクロスピッチ計算影響を評価した。 図 ８に評価基板の仕様を示す。板厚（2）ビアのスタブ対策

6.0mm、最大2.4mmのスタブを持つ貫通ビアのスタブ長を①バックドリルの効果

50um〜400umまで50um刻みに変化させて通過特性をプリント基板に設けたビアに高速信号を伝送する際に、評価した。 図９に各スタブ長の通過特性を示す。バック

層間の導通に関係のない余剰な部分がオープンスタブとドリルを行わない条件では12GHzと34GHz付近にスタブしてふるまい、その波長に起因した周波数の通過特性がによる共振がみられる。バックドリル適用により12GHz劣化してしまう。対策としては、スタブを除去するバックの共振は改善されるものの、34GHzではスタブ長に比例ドリルが一般的である。バックドリルはプリント基板して通過特性が悪化することから、帯域によりスタブ長表面を基準位置とし、ターゲット層までのドリル深さをの影響が異なることが分かる。

制御してスタブを切削除去する工法である（図６）。本来、ターゲット層までのスタブを完全に除去することが望ましいが、実際にはプリント基板製造過程で生じる層間厚のばらつきと、ドリル加工精度を考慮した製造マージンが必要であり、現実的にはスタブ長ゼロの加工は困難である。従来工法ではスタブ残り300um±150um程度の38

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図8

評価ボード仕様評 価 し て い る 。 図 11 に 量 産 基 板 の 差 動 通 過 特 性（Sdd21）の評価例を示す。25Gbpsの基本周波数である12.5GHzの通過特性が管理値である±1.0dB以内におさえられており、ばらつきが少なく製造できていることが確認できる。また、 図11に破線で示すように、今後想定される32Gbps（16GHz）以上を伝送する基板においても、今回開発したバックドリル工法による評価結果（ 図 10）から通過特性のばらつきを管理値内におさめ
図9

スタブ長と通過特性られると考えている。

10/25/32Gbps伝送の基本周波数である5/12.5/16GHzにおける通過特性の変化率（スタブ長50umを基準）を図10に示す。この結果から、10Gbpsでは400um程度のスタブによる影響は無く、シビアなスタブ加工精度が不要であることが分かる。一方、32Gbpsクラスでスタブにより生じる通過特性の変化を5％以内にするには、スタブ長を250um以下にする必要がある。加工時の誤差を考慮すると製造公差は150um±100um程度となるが、
図 11

今回開発した工法により実現可能であることが確認で量産基板の差動通過特性きた。ただし、バックドリル加工に要求される加工精度は、あとがき

板厚、ビアの長さ、使用する周波数、通過特性の許容誤差によっても変わってくる。プリント基板メーカー

信号の高速化に伴い高精度加工が必要とされる一方、として更なる高精度加工技術の確立を目指す一方、過剰加工精度と特性の関係を定量化することにより、要求な精度追及はコスト上昇にもつながるため、特性・用途仕様に応じた適切な精度の設定、提案が可能となる。に応じた適切な精度の提案も重要であると考える。

今後、電気伝送の更なる高速化が進み、伝送レートは40Gbps以上になると予想される。これに対応するべく、最適な材料、製造プロセスの開発、シミュレーション・設計技術の向上に取り組んで行く。

◆◆1）S.McMorrow,C.Heard,”The Impact of PCB
Laminate Weave on the Electrical Performance ofDifferential Signaling at Multi-Gigabit Data Rates”,
図 10スタブ長による通過特性の変化率

DesignCon East 2005
2）IPC-4412B,” Specification for Finished Fabric（3）通過特性の評価方法

Woven from E Glass for Printed Boards”

前述のように差動信号の不平衡やバックドリル加工精度に起因するスタブは、通過特性に大きく影響を与える。従来のプリント基板の特性管理として行われてきた

八木貴弘：Takahiro Yagi. 沖プリンテッドサーキット

特性インピーダンス検査のみでは、高速信号を伝送する株式会社 技術本部 開発部

プリント基板の製造過程で生じる様々な特性変動を定量

小池清：Kiyoshi Koike. 沖プリンテッドサーキット株式的 に 検 証 する こ と が 難 し く な ってきて い る 。 そ こ で、会社 技術本部 開発部

一部の高周波用途のプリント基板では、通過特性テスト

飯長裕：Hiroshi Iinaga. 沖プリンテッドサーキット株式

クーポンの測定により製造誤差に起因する特性変化を会社 技術本部O K I テクニカルレビュー
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