銅箔厚、層構成とインピーダンス

基板の電気的特性と熱特性は、レイアウト以外に3つの要素で決まります。銅の厚さ、層の配置、各層と隣の層との距離です。この記事では、それぞれを説明し、工場に伝える必要がある場合を説明します。

銅箔厚

銅の厚さは、面積あたりの重量で表します。単位は平方フィートあたりのオンスです。1オンスの銅を1平方フィートに広げると、厚さは約35マイクロメートル（0.035 mm、1.4 mil）になります。2オンスでは約70 µmになります。

1. 銅の厚さ： 同じ配線を3種類の厚さで示します。
2. 絶縁ラミネートは銅の下にあります。
3. エッチングは横方向にも進みます。 下方向だけでなく横方向にも進むため、厚い銅では配線の裾が広くなり、より広い間隔が必要です。

注意しにくい点が2つあります。

• 外層はめっきで銅が増えます。 外層の銅箔厚を「1 oz」と指定して注文した基板は、通常はより薄い銅箔から作り、その後に銅めっきを加えます。穴にめっきが必要なためです。完成後の厚さの表し方はメーカーごとに異なります。数値が開始時の銅箔か、完成後の銅かを確認してください。
• 銅が厚いほど、より広い間隔とより広い配線幅が必要です。 エッチングは下方向だけでなく横方向にも進みます。そのため、厚銅をきれいにエッチングするには、より広い空間が必要です。厚銅では、工場が定める最小配線幅と最小間隔も変わります。0.5 oz向けの間隔で3 ozの銅を設計しないでください。

配線に流せる電流量

配線に流せる電流は、配線幅、銅の厚さ、許容する温度上昇、外層（空気で冷える）か内層（冷えない）かで決まります。この分野の標準的な参考資料はIPC-2221です。IPC-2221には曲線が示されています。より新しい関連規格であるIPC-2152の方が適切な資料と考えられています。これらに基づく計算ツールを使い、余裕を持たせてください。内層の結果は、より慎重に扱ってください。数アンペア以上を流す配線では、細い配線を限界まで使うのではなく、より広い配線、ポリゴンの銅箔、銅箔厚の増加、はんだで補強した銅を検討してください。

層構成

層構成は、層と層の間にあるものを順に並べた一覧です。銅、誘電体の厚さと種類、銅、という順序です。多層基板にはすべて層構成があります。指定しない場合、実際の層構成は工場が決めます。

1. 2層： 銅、コア1枚、銅です。
2. 4層： 外層の銅、プリプレグ、内層の銅、コア、内層の銅、プリプレグ、外層の銅です。
3. 6層： 6層の銅の間に、コア2枚とプリプレグ3層があります。
4. プリプレグ： 半硬化した樹脂を含むガラスクロスです。基板をプレスすると溶けて層を接着します。
5. コア： 両面に銅を持つ硬いラミネートです。

2層

両面に銅があり、間にコアが1枚あります。シンプルで安価です。シンプルなデジタル回路、低速回路、多くのアナログ設計に適しています。

4層

最も一般的な次の段階です。一般的な配置は次のとおりです。

1. 信号（上面）
2. グラウンドプレーン
3. 電源プレーン（または2つ目のグラウンド）
4. 信号（下面）

上面の信号の下にあるベタのグラウンドプレーンは、電流のリターン経路になります。ループ面積を小さく保ちます。これにより、ノイズと放射の両方を抑えます。内層は0.5 ozまたは1 ozの銅です。全厚1.6 mmの基板が一般的です。外側の誘電体は薄く（上面の信号がグラウンドプレーンに近くなります）、中央のコアは厚くなります。

6層

一般的な配置は、信号、グラウンド、信号、信号、電源、信号、または信号、グラウンド、信号、電源、グラウンド、信号です。各信号層の隣にプレーンがあること、可能な限りプレーン同士が近いことが考え方です。6層では、より高速な信号、より高密度なレイアウト、ノイズの多い部分と静かな部分の分離がしやすくなります。

対称性

層構成は、銅の量と誘電体の厚さの両方で、中心に対して対称にしてください。バランスの取れていない基板は、リフローで加熱すると反ったりねじれたりします。反った基板は実装が難しくなります。上面の銅が主にグラウンドのベタで、下面が空の場合は、下面にもベタを加えてバランスを取ってください。

インピーダンス制御

基板上の配線は伝送線路として動作します。特性インピーダンス（単位はオーム）は、次で決まります。

• 配線幅、
• 基準プレーンまでの距離（誘電体の厚さ）、
• 材料の誘電率（Dk）、
• 銅の厚さ、
• 差動ペアの場合は、2つの配線の間の間隔。

図は、目で確認できる寸法を示しています。銅の厚さと材料の誘電率も関係します。

1. 配線幅。
2. 絶縁体の高さは、配線と基準プレーンの間です。
3. 2つの配線の間の間隔は、差動ペアの間隔です。
4. 基準プレーン： 配線の下にあるベタの銅層です。切れ目なく保ってください。

信号が十分に速く伝わると、配線のインピーダンスとドライバおよびレシーバのインピーダンスが合わないことで、反射が起きます。問題になるかどうかは、クロック周波数だけでなく、立ち上がり時間と配線長で決まります。

インピーダンス制御が必要な場合

規格でインピーダンス制御が求められるインターフェースでは、インピーダンス制御が必要です。典型的な目標値は次のとおりです。

• 多くの無線信号と高速シングルエンド信号向けに、シングルエンド50 Ωです。
• USB向けに、差動90 Ωです。
• Ethernetと多くのLVDS、HDMI、DDR系のペア向けに、差動100 Ωです。
• PCIe向けに、差動85 Ωがよく示されます。

インターフェースのデータシートまたは規格で目標値を確認してください。バージョンや設計ごとに値が異なります。

低速信号、一般的なGPIO、電源には必要ありません。必要でない場合に指定すると、コストが増えます。

工場に必要な情報

• 層構成。 層の順序、銅箔厚、誘電体の種類と厚さ、全厚です。工場のエンジニアが、工場の材料に合う層構成を提案する場合があります。
• どの層のどの配線に、どの目標インピーダンスが必要か。 差動ペアの場合は、どの配線がペアかを伝えてください。
• 許容する公差。 10％が一般的な数値です。公差を厳しくすると、コストが増えます。
• 検証方法。 工場は面付けパネルの端にテストクーポンを配置して測定します。基板自体は測定しません。レポートを受け取るかどうかを確認してください。

その後、工場のエンジニアが、実際の層構成で目標値に合うよう配線幅と間隔を調整します。そのため、描いた配線幅が少し変わることを了承する必要があります。

計算

設計ソフトウェアのフィールドソルバーツールと、無料のオンライン計算ツールで、適切な初期見積もりが得られます。重要なのは工場が示すDkと厚さです。データシートの公称値は、プレス後の基板とは異なるためです。

実践的な注意点

1. 配線前に、層数と厚さに対する工場の標準層構成を確認してください。
2. インピーダンス制御が必要な配線は、層構成に記載された層だけに配線してください。
3. 高速信号の下では、基準プレーンを切れ目なく保ってください。
4. 工場に伝えずに、1つの層で銅箔厚を混在させないでください。
5. 重要な事項は、図面だけでなく、短いメモでも伝えてください。

こちらで注文する場合の表示

層構成なしでインピーダンス制御を注文すると、チェックでそのことが示されます。「インピーダンス制御には層構成が必要です」は、25件のチェックの1つです。ファイルだけでは、配線にインピーダンス制御が必要か、層構成が設計に合うかはチェックで分かりません。注文時に、対象の配線と目標値を伝えてください。材料と利用可能な層構成は製造能力のページにあります。エンジニアが注文内容の詳細を確認します。材料については、プリント基板の基材をお読みください。