一 はじめに
高速PCBにおける電源インテグリティはデジタルチップの安定動作を左右する重要指標です。信号速度が10Gbpsを超える現在、電源リップルとノイズの許容値は5パーセント以下まで低下しています。業界データによると高速PCB故障の40パーセントは電源インテグリティが原因です。あるAIoT企業では電源リップルが20パーセントに達したため通信誤り率が15パーセントに上昇し製品の市場投入が3カ月遅延しました。

PCBGOGOは高速PCB分野の製造技術を強化しPDN設計最適化と精密製造管理と検査による電源インテグリティ対策を構築しています。6層高周波PCBや10層二段HDIなどの製品は海康威視や大華など大手企業向けに採用されています。本稿ではIPC2221とIPC6012に基づき高速PCB電源インテグリティ設計の要点と実践手順について解説しエンジニアがリップル80パーセント低減を達成するための具体策を示します。

二 電源インテグリティの技術解説

2.1 電源インテグリティの定義
電源インテグリティとはチップに対し安定でクリーンな電源を供給する能力です。主要指標は電源リップル5パーセント以下 ノイズ100mV以下 電圧精度2パーセント以内です。高速チップは瞬時電流変化率が1A/nsに達します。PDNインピーダンスが高い場合 ΔV=I×Z により電圧降下が発生しロジック誤動作につながります。

2.2 電源インテグリティに影響する要素
PDN設計は電源インテグリティの中核です。PDNインピーダンスは電源プレーンとGNDプレーンとビアとコンデンサによって構成され目標インピーダンス以下に抑える必要があります。例えば1Ω@100MHzが一般的な基準です。影響要素にはコンデンサの容量とESRとESL プレーン間結合度 ビア本数と配置 基材の誘電率安定性が含まれます。IPC2221では電源プレーンとGNDプレーンの間隔は0.2mm以下推奨値は0.1から0.15mmです。

2.3 PCBGOGOの電源インテグリティ製造対応
PCBGOGOは以下の製造技術で電源インテグリティを保証します。
一 LDI露光機で銅厚の均一性を確保しプレーンインピーダンスを安定化。銅厚誤差はプラスマイナス10パーセントです。
二 6軸ドリル加工でビア径誤差をプラスマイナス0.01mmに抑えビアインピーダンスを低減。
三 TDR測定によりPDNインピーダンスを精密検査し合格率100パーセントを実現。

三 実践手順 高速PCB電源インテグリティ最適化

3.1 PDN目標インピーダンスの定義とシミュレーション
目標インピーダンスは Ztarget=ΔV/Ipeak で定義します。
例えば3.3V電源でIpeak1A ΔV0.165Vの場合 目標インピーダンスは0.165Ω@100MHz以下となります。Cadence PDN AnalystまたはANSYS SIwaveで全周波数におけるインピーダンス特性を確認します。

3.2 電源プレーンとGNDプレーンの設計
電源層とGND層は近接配置し結合度を高めます。
プレーン間隔は0.2mm以下推奨値は0.1から0.15mmです。形状はできる限り完全な矩形とし幅5mm以下のスリットは避けます。銅厚は1oz以上 高電流部は2oz以上が推奨されます。

3.3 デカップリングコンデンサの選定と配置
コンデンサは周波数帯域ごとに組み合わせます。
10μF電解コンデンサは1から10kHzの低周波ノイズを抑制し 1μFタンタルコンデンサは10kHzから1MHzで効果を発揮し 0.1μFセラミックコンデンサは1MHzから1GHzに対応します。チップ電源ピンからの距離は5mm以下ビアは2mm以下が目安です。

3.4 ビア配置と電源ライン最適化
電源ピン1箇所につき少なくとも2本のビアを配置しビア径は0.3mm以上とします。ビア間隔は4mm以下です。電源ライン幅は電流に基づいて設計し1oz銅厚で1A当たり1mm幅が目安です。ライン角は45度とし直角は回避します。

四 まとめ
高速PCB電源インテグリティの最重要ポイントは目標インピーダンスの明確化とPDN全体の最適化です。シミュレーションによる事前検証とデカップリングコンデンサの周波数特性に基づく選択 そして高精度製造による確実な実装が成功の鍵となります。

PCBGOGOではPDN設計チェック機能を備えたオンライン発注システムを提供しています。自動でプレーン間隔やビア数量などのリスクを検出可能です。50名以上のエンジニアがシミュレーション相談をサポートし高精度測定機器でPDNインピーダンスを保証します。基材は生益やロジャースなど高品質材料を採用し4層基板は1平方メートル390元から量産対応しています。将来の高速PCB設計において更なる大電流と低ノイズが求められる中PCBGOGOの厚銅PCBとHDI製造力は電源インテグリティ向上に有効です。