5GやVR/ARの普及により、ハイエンドスマートフォンやVRヘッドセットでは、HDI基板に対してかつてないレベルのシグナルインテグリティ（SI）が要求されています。5Gでは24GHz以上、VRでは10Gbps超の高速伝送が一般的となり、わずかなインピーダンス不整合やクロストークでも信号減衰やレイテンシ増加を招き、ユーザー体験に大きく影響します。

業界データによれば、ハイエンドスマートフォンにおけるHDI配線の阻抗不整合が5G信号を30％以上減衰させるケースが報告されており、あるVRメーカーではクロストークを原因とした画面カクつき率が15％を超えた事例も確認されています。そのため、ハイエンド向けHDI設計では、IPC-2141（高周波プリント基板設計）およびUSB-IF準拠（USB4規格） が求められ、インピーダンス偏差は±3％以内、クロストーク減衰は40dB以上が必須となります。

PCBGOGOは、これまでハイエンドスマートフォンやVRデバイス向けに100万枚以上のHDI基板を提供しており、本稿ではインピーダンス最適化-クロストーク コントロールの核心技術と検証方法を解説します。

1. HDI信号品質の核心：阻抗マッチングとクロストーク抑制

ハイエンドHDIのシグナルインテグリティを左右する要素は「インピーダンス最適化」と「クロストーク コントロール」の2点であり、IPC-2226の高周波設計要件を満たす必要があります。

（1）インピーダンスマッチング：50Ω（RF）と90Ω（差動）の精度確保

5G-VR向けHDIでは以下のインピーダンス仕様が一般的です：

• RF信号：50Ω

• 差動高速信号：90Ω

インピーダンス値は基材の比誘電率（εr）、線幅、層間厚みに強く依存します。
IPC-2141における代表式は以下の通りです：

Z = (60 / √εr) × ln(5.98h / W)
（h：層間厚み、W：線幅）

基材のεrは特に重要で、例えば：

• Rogers RO4350B：εr = 4.4 ± 0.05

• 一般的なFR-4：変動 ±0.3（RO4350Bより安定性に劣る）

PCBGOGOの測定では、εrが0.1変動すると阻抗偏差が約3％増加することが確認されています。

（2）クロストーク抑制：差動ペアの配置とグラウンド処理

クロストークは高速信号の品質を大きく損なうため、USB4では40dB以上の減衰が求められます。

主なポイントは以下のとおりです。

• 差動配線の線間距離：線幅の3倍以上
  （例：W=0.2mm → 距離0.6mm以上）

• 2倍未満になると、減衰は30dB以下に低下しUSB4規格に不適合

• 差動線間にはグラウンドビアを追加
  （ピッチ5mm以内、差動線からの距離0.3mm以上）

高周波用途ではRO4350B（Dk=4.4、Df=0.0037@10GHz）が広く採用されています。

2. 実装設計ガイド：インピーダンス最適化＋クロストーク抑制の協調設計

以下はPCBGOGOが高周波HDIで採用する代表的な設計基準です。

（1）インピーダンス設計

• 50Ω（RF信号）：
  RO4350B、厚み0.2mm、層間厚み0.15mm、線幅0.3mm±0.01mm
  Altium Designerの阻抗計算ツールで設計確認

• 90Ω（差動）：
  線幅0.25mm、線間0.25mm、層間厚み0.15mm
  HyperLynxでシミュレーション（PCBGOGO提供）

インピーダンス偏差はすべて±3％以内に収めます。

（2）クロストーク抑制設計

• 差動線間距離：0.75mm以上（3倍幅）

• 配線長：100mm以内

• 直角配線禁止（45度またはアール配線を推奨）

• グラウンドビア：直径0.2mm、ピッチ5mm以内

• DFM事前検証：PCBGOGOのJPE-DFM-HDI 8.0でクロストークリスクを自動解析

（3）基材-製造プロセス

• RO4350B：εr = 4.4 ± 0.03をVNAで確認

• 蚀刻プロセス：酸性エッチング、エッチングファクタ4:1以上

• 線幅精度：±0.005mm
  （IPC-TM-650 2.3.17準拠）

3. 信号品質検証：高周波-高速伝送テスト

（1）インピーダンス検査

• JPE-Imp-700で全数検査

• 50Ω：48.5--51.5Ω

• 90Ω差動：87.3--92.7Ω

• 合格率：99.5％以上

（2）クロストーク測定

• ネットワークアナライザ（JPE-VNA-1000）を使用

• 1GHz--24GHzで40dB以上（USB4準拠）

（3）高速信号テスト

• 5G信号減衰：2dB/m以下（24GHz帯）

• VR高速信号：10Gbps以上、フレームカクつきなし

• 50GHz帯域の示波器でアイパターン測定

• 眼高：0.5V以上

• 眼幅：0.2UI以上

まとめ

ハイエンド向けHDIでは、「安定した比誘電率」「精度の高いインピーダンス設計」「徹底したクロストーク抑制」がシグナルインテグリティ確保の鍵となります。IPC-2141およびUSB4準拠の基準に基づく設計-製造-検証が、高周波-高速伝送の品質を左右します。

PCBGOGOでは、HyperLynxシミュレーション、高周波測定、ROHS認証を含むハイエンドHDI向けの専用サービスを提供しており、お客様のデバイス性能向上を総合的にサポートしています。HDI設計やPCBAでお困りの際は、ぜひPCBGOGOへご相談ください。