一 引言
5G や Wi Fi 6 技術の普及により、消費電子分野の信号伝送速度は 1Gbps から 10Gbps 以上へ加速しています。動作周波数が 2.4GHz 以上の高周波基板 は、スマートフォン、スマートルーター、AR グラスなどに必須の基板構成です。業界が直面している最大の課題は、クロストークによる伝送誤り率 3パーセント超過と、インピーダンス不整合による信号減衰です。ある 5G ルーター企業のデータでは、信号インテグリティ不良に起因する製品の返却率が 15パーセントに達しています。本稿では、設計原理、製造工法、検証手法の三つの視点から、高周波信号インテグリティを確保するための実践的な対策を解説します。

二 中核技術解析 高周波 PCB 信号インテグリティの主要原理

2.1 インピーダンス整合の主要要素
インピーダンス整合は高周波信号インテグリティの基本です。値は基材の誘電率 εr、ライン幅 W、絶縁体厚 H、銅厚 T によって決まり、IPC 2141 の式 Z0 = 60 / √εr × ln(8H / W + W / 4H) (マイクロストリップ) を参照します。高周波 PCB では 50Ω (RF ライン) と 90Ω (差動ライン) が一般的ですが、設計パラメーターが 10パーセント以上ずれると信号反射で 20パーセント以上の減衰が発生します。PCBGOGO は Rogers RO4350B 基材 (εr = 3.48±0.05 損失係数 0.0037 at 10GHz) を推奨し、一般的な FR4 に比べて信号減衰を約 40パーセント低減できます。

2.2 クロストークの発生要因
クロストークは隣接する信号ライン間の電磁結合で、容量性と誘導性に分類されます。強度はライン間距離 S、並走長 L、絶縁厚 H に依存し、クロストーク強度は S2 に反比例、L に比例します。クロストーク電圧が信号振幅の 5パーセントを超えると論理誤動作が発生します。IPC 2221 の基準では、高周波信号ラインの間隔はライン幅 W の 3倍以上を推奨し、クロストーク抑制に効果があります。

2.3 PCBGOGO の高周波 PCB 工法
PCBGOGO は設備精度と製造プロセスの両面から信号インテグリティを確保しています。芯碁 LDI 露光機 (露光精度 ±0.01mm) によるライン幅公差 ±0.02mm 管理、自動無電解銅めっきによるビア銅厚均一性 ±10パーセント管理、特性インピーダンスアナライザー LC TDR20 (測定精度 ±1Ω) による全数検査により、インピーダンス適合率 100パーセントを実現しています。

三 実装指針 高周波 PCB 信号インテグリティ最適化手順

3.1 設計段階 インピーダンスとクロストークの制御
● 主要対策
HyperLynx によるインピーダンスシミュレーション、層構成とライン幅の最適化、信号ラインレイアウトによる並走長管理が重要です。

● 設計基準
50Ω マイクロストリップの場合、Rogers RO4350B、εr = 3.48、銅厚 1oz、ライン幅 0.3mm、絶縁厚 0.2mm (IPC 2221 第 6.2.1 条準拠)
差動ペアは線間隔 0.5mm以上、並走長 50mm以下、クロストーク抑制 90パーセント以上。

● 使用ツール
HyperLynx 9.0、Altium Designer 22、基材は Rogers RO4350B または Shengyi S1130。

3.2 製造段階 精度と一貫性の確保
● 主要対策
高周波 PCB 対応工場を選定し、製造工程のパラメーターを明確化し、重要工程をリアルタイム監視します。

● 製造基準
ドリル公差 ±0.01mm、板厚穴径比 10対1以下、ソルダーレジスト厚 15μm以上。表面処理は無電解金 (金厚 1.2μm以上) を推奨し、酸化による信号損失を防ぎます。

3.3 検査段階 信号特性評価
● 主要対策
インピーダンス試験、クロストーク試験、環境信頼性試験を実施します。

● 検査基準
TDR 法で 50mm 間隔の測定、偏差 ±5パーセント以内。S パラメーター試験による近端クロストーク NEXT は 10GHz 時点で -40dB 以下。85℃ 85パーセント湿度で 1000時間後、インピーダンス変化 ±3パーセント以内。

四 ケース検証 5G ルーター PCB の信号インテグリティ改善

4.1 課題内容
8層高周波 PCB (動作周波数 5GHz) の初期試作では、設計 50Ωに対し実測 42から58Ωとインピーダンス偏差が 10パーセントを超過し、隣接信号のクロストークは -30dB に達し、データ誤り率 5パーセントを記録しました。

4.2 改善施策
設計面では絶縁厚を 0.15mm から 0.2mmに変更、ライン幅を 0.25mm から 0.3mmに拡大し、線間隔を 0.3mm から 0.6mmに設定しました。
製造は PCBGOGO 深圳工場で実施し、Rogers RO4350B による LDI 露光と全自動めっきで銅厚 25から30μm、エッチング均一性 ±8パーセントを確保しました。
測定は LC TDR20 とネットワークアナライザーを用い、50mm間隔で全数検査を行いました。

4.3 改善結果
インピーダンスは 47.5から52.5Ωに収束し偏差 ±5パーセント以内、クロストークは -45dB まで低下し、誤り率は 0.1パーセントに改善しました。量産 10万枚でインピーダンス適合率 99.8パーセント、クロストーク適合率 100パーセント、返却率は 0.3パーセントまで低減しました。

まとめ
高周波 PCB の信号インテグリティ対策は、設計精度、製造安定性、検査項目の網羅が基本です。特に、基材選択では低損失の Rogers RO4350B や Shengyi S1130 の採用が有効であり、設計段階で HyperLynx によるインピーダンスとクロストークのシミュレーションを行うことで後工程のリスクを削減できます。また、高周波 PCB 製造設備と検査体制を備えた工場 (PCBGOGO など) を選定することで、量産時の一貫性を確保できます。