フローティング層が高速信号伝送に及ぼす影響

1. はじめに

画像情報等の大容量データを高速に伝えるため、信号処理用LSIの多ピン化が進み、これをプリント配線板で引き出すため、基板の多層化が進んでいる。ここで、インピーダンスコントロールや信号層間でのクロストークを防止するため、信号層の間にグラウンドや電源のべたプレーンを配置する事が多用されている。ここで、LSIの電源やグラウンドの端子とべたプレーンとの接続方法を誤ってしまうと、べたプレーンがフローティング層となる事があり、リターンパス不連続やインピーダンス・ミスマッチが起こり、高速信号伝送に悪影響を及ぼす可能性があるが、実験的に検証した例は少ない。

我々は、フローティング層が高速信号伝送に及ぼす影響を明らかにするため、表裏が信号層で内層2層がべたプレーンの4層プリント配線板にて、片方のべたプレーンが浮いた状態の仕様を作成のうえ、高速伝送特性を実験したので、結果を報告する。

2. 試作回路

テスト基板の概要を図1に示す。板厚1.6mm、一般的なFR-4材料を用いた4層プリント配線板の外層に、全長250mmの50Ωマイクロストリップを配置した。この誘電体厚みは0.22mm、線幅は0.44mm、ソルダレジスト被覆ありである。
配線の両端には、信号入出力用にSMAコネクタを実装した。表面層(第1層とよぶ)に近いべたプレーン(すなわち第2層)は、SMAコネクタのグラウンドピンに接続することによって、グラウンド電位とした。一方、残りの第3層のべたプレーンについてはコネクタと未接続にすることによって、浮いた状態とした。
マイクロストリップの仕様は、線長250mmの中点にスルーホールを設け、これで第1層と第4層それぞれに配置された125mmの配線を接続した。この信号用ビアの近傍には2つのプレーンを接続するリターンパス用のビアを配置しないことによって、信号用スルーホールの部分でリターンパスが分断される仕様とした。
そして、第2層と第3層のべたプレーンの大きさは基板外形寸法とほぼ同じで、基板長手と短手方向のそれぞれに伸ばした仕様、具体的には図1において、Lx=2~47mm、Ly=3~28mm に変化させた基板を製作した。

図1 テスト基板のパターン図(上から第1~4層)

図1 テスト基板のパターン図(上から第1~4層)

3. 結果と考察

伝送特性は、TDR とネットワークアナライザーで評価した。

3.1 特性インピーダンス

まず、べたプレーン寸法を基板長手方向(Lx)、短手方向(Ly)ともに変化させたときのポート1からのTDRの測定結果を図2に示す。ポート1に接続する配線のリターンパスは第2層であり、この電位はグラウンドのため、特性インピーダンスは所望の約50Ωになっている。スルーホールの位置でインピーダンスが上がり、べたプレーンの寸法が大きくなるほどスルーホール以降の特性インピーダンスは元の50Ωに近づく結果となった

図2 Lx,Ly変化とポート1のTDR

図2 Lx,Ly変化とポート1のTDR

続いて、同じ基板でポート2からTDRを測定した結果が図3である。画面中央のスルーホールの位置まで、先のポート1からの測定結果と比べると特性インピーダンスが高くなっている。ポート2に接続する配線のリターンパスはフローティング状態の第3層であるが、べたプレーンの寸法が大きくなるほど配線のインピーダンスが50Ωに近づくことが分かった。一方、基板の短手方向は Ly=3mm 一定で、長手方向の寸法を変化させたときのポート1、2からの TDR をそれぞれ図4,5に示す。前述の短手方向(Ly)を拡大したときのような改善効果は見られなかった。

図3 Lx,Ly変化とポート2のTDR