一 はじめに

高速信号伝送においてリターンロスは信号反射の程度を評価する重要な指標です。リターンロスは入射信号と反射信号の電力比を示し RL = 10log(Pin Pr) で表されます。値が大きいほど反射が小さく伝送品質が安定します。業界データによると伝送速度が十Gbps以上の高速PCB設計でリターンロスが十五dB未満の場合 アイパターンの閉塞やジッタが発生しビット誤り率が一乗十のマイナス九乗以上に上昇する可能性があります。これは民生機器や通信機器の要求を満たしません。

多くの企業はリターンロス測定のみを実施しており不良箇所の特定とインピーダンス最適化が連動していないことが課題です。この結果 試作回数が増加しスケジュール遅延が発生しています。ある高速ルーターメーカーはリターンロス不良により開発期間が三か月延長され開発コストが八百万円増加した事例があります。

PCBGOGOはTDR測定によってインピーダンス不整合の位置をミリ単位で特定し最適化することができます。本記事ではTDR測定の原理インピーダンス不整合の原因分析最適化の手順について解説し高速信号エンジニアの課題解決に役立つ実践ガイドを紹介します。

二 技術解説 回波損失とインピーダンスの関係および測定原理

リターンロスとインピーダンス不整合の関係

リターンロスの本質は伝送線路と負荷のインピーダンス不整合によって発生する反射です。伝送線路の特性インピーダンスZ0と負荷インピーダンスZLが一致していない場合反射係数Γが発生しリターンロスはRL = 二十log Γ で計算されます。理想状態はZ0とZLが等しく反射係数がゼロとなり信号反射は発生しません。

高速PCB設計では五十オーム単端信号 九十オーム差動信号が一般的です。インピーダンス偏差が五パーセントの場合リターンロスは約十六dBとなり 十パーセント以上の偏差ではリターンロスが十dB以下に低下します。そのため回波損失測定結果からインピーダンスマッチング状態を正確に把握することが重要です。

 TDR測定によるリターンロス評価

TDR測定は伝送線路にステップ信号を注入し反射波形の振幅と時間を分析することでインピーダンス不整合の位置と程度を特定する手法です。PCBGOGOはKeysight八六一零零D TDRオシロスコープを使用し上昇時間二十psのステップ信号でインピーダンス変化をミリ単位で特定します。測定周波数はDCから五十GHzまで対応し五十Gbps級の高速PCB設計にも使用できます。

インピーダンス不整合の主な原因

設計要因
線幅 線間距離 誘電体厚さの設計誤差
ビアおよびランド寸法の不適合

工法要因
エッチングムラ
銅厚のばらつき
ソルダーレジストの重ね塗り

材料要因
誘電率のばらつき
誘電体層厚の不均一

三 TDRに基づくリターンロス測定とインピーダンス最適化手順

 測定前準備

TDRオシロスコープのキャリブレーションを実施しテスト用PCBの表面を無水エタノールで処理して信号精度を確保します。キャリブレーションには開放 短絡 標準負荷五十オーム 九十オームの校正を使用します。

 リターンロス測定と不整合位置の特定

ステップ信号の振幅を一Vに設定し反射波形を取得します。反射時間から位置を算出しインピーダンス変化を記録します。消費電子製品の一般基準は十五dB以上 通信用途では二十dB以上が推奨値です。

 原因分析

Gerberデータおよび製造パラメータを確認し不整合の根本原因を特定します。必要に応じて顕微鏡で構造を観察し線幅ムラや銅箔酸化などの欠陥を確認します。

 最適化と再測定

線幅 ビア寸法 エッチング条件 ソルダーレジスト開口を調整し再度TDR測定を実施します。最適化後の目標値はリターンロス二十dB以上 インピーダンス偏差プラスマイナス二オームです。

 PCBGOGOの高速PCB最適化サービス

PCBGOGOはKeysight八六一零零D TDRオシロスコープと高精度ドリル加工機を使用しテスト 診断 最適化のワンストップサービスを提供します。生産には生益S1130 ロジャースRO四三五零Bなどの高性能材料を採用しインピーダンスの一貫性をプラスマイナス二オーム以内に制御しています。高速信号エンジニアがDFM設計相談を行い設計段階からインピーダンス不整合のリスクを低減できます。