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基板の配線パターンは、表面層（または外層）と中間層（内層）とに大別されます。表面層は寸法のパラメータが少ないので、比較的簡単に寸法を決めることができます。
表面層の寸法のパラメータ
典型的な表面層の断面図を 図1(a)（『基板の断面寸法の決め方』の 図2(a) と同じ）に示します。パターン厚 t は、『基板の製造プロセス』で述べたように 18 um の銅箔に 25 um のめっきがプラスされて、公称 40 um などの厚さになります。この 40 um の厚さは、電気的にも、たぶん製造的にもあまり好ましくありません。このことについては、また別の機会に触れることにします。
パターン幅 W は、『基板の断面寸法の決め方』で述べたように、上底が小さい台形となります。この銅のパターンの表面には、はんだブリッジを避けるためにソルダレジストを施します。実際には、図1(b) のように銅パターンの表面を銅箔に沿って覆っています。図1(a) と (b) では、特性が若干異なります。いずれにしても、基板メーカがプロセス条件まで含めてきちんと解析するので、回路設計者やボード設計者はそこまで厳密に計算する必要はないと考えます。
パラメータ決定の手順
特性に影響するパラメータは、図1(a) のパターン幅 W、パターン厚 t、パターン間ギャップ G（S ＝ スペースということもあります）、GND からの高さ h が支配的で、その他に、レジスト厚 SR、基板の比誘電率 εr1、レジストの比誘電率 εr2 も多少影響します。レジスト厚と比誘電率は、特殊な仕様以外は基板メーカによって決まるので、予めその値に設定しておきます。ここでは、SR ＝ 10 um、εr1 ＝ εr2 ＝ 4.7 とします。パターンの断面は前述のように台形ですが、パラメータを変化させる場合には、簡単のために長方形とします。
（ε：ギリシャ文字小文字のイプシロン）
(1) 目標値
ここでは、例として、Z0 ＝ 50 Ω、ξ ＝ 0.15 を考えます。
（ξ：ギリシャ文字小文字のクサイ）
(2) 最小パターン幅 W
基板メーカからコストアップにならない範囲で、最小の W を提示してもらいます。ここごは、W ＝ 0.1 mm とします。
(3) h の決定
解析ソフトを使って h を決めます。h は使用するプリプレグの厚さで決まり、その標準値は基板メーカが準備しています。自由に連続には決められません。プリプレグ 1枚の厚さは、例えば、40 um とか 50 um なので、h はこれらの倍数になります。レジスト厚は、例えば 10 um にします。
図2 は、h に対する特性インピーダンス Z0 を解析した結果です。h ＝ 84 um のときに Z0 ＝ 50 Ω となります。プリプレグが 40 um の倍数ならば 80 um を選びます。このとき、Z0 ＝ 48.7 Ω、50 um の倍数なら 100 um を選び、Z0 ＝ 54.7 Ω になります。いずれの場合も、50 Ω 系と考えてよい値です。
(4) G の決定
G によって、クロストーク係数 ξ を決定します。
図3 は、h に対するクロストーク係数 ξ を解析した結果です。h ＝ 80 um のときに、目標の ξ ＝ 0.15 に対して、G ＝ 135 um、h ＝ 100 um のときには、G ＝ 162 um になります。1本のパターンが占有する幅は、W ＋ G で、面積で考えるとこの 2乗になります。h ＝ 80 um なら、(W ＋ G)^2 ＝ 55231、h ＝ 100 um なら (W ＋ G)^2 ＝ 68729 となり、24 ％ 程度の占有率の違いがあります。基板メーカと、h ＝ 80 um が実現できないかを協議する意味が十分にあります。
なお、設計者が h について要望を出さないと、基板メーカが適当に選んでしまう例を多く見かけます。例えば、h ＝ 200 um なら、Z0 ＝ 50 Ω にするには、W ＝ 300 um になってしまいます。是非十分に協議することをお薦めします。
今後は、差動伝送の場合について述べ、さらに実装密度を上げるアイデアについて紹介いたします。続きは、『基板の表面層の断面寸法～その2』をご覧ください。
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