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製品情報

高速伝送FPCについて

高速伝送FPCのイメージ

特性インピーダンス整合の必要性

現在高速データ通信や画像伝送、無線機器をはじめデジタル機器の発達により信号の伝送スピードが飛躍的に増していますが、これらの高速伝送には伝送路の特性インピーダンスの整合が必要になります。

信号の電力効率化

電気信号の伝送路において、送り出し側電圧が一定として、その回路の出力インピーダンスと、受け側回路の入力インピーダンスを等しくすることにより、受け側回路において得られる電力が最大になる性質を持ちます。そのため、効率的に伝送を行うためには、それらのインピーダンスを合わせる必要があります。

信号の反射防止

反射は高周波(電波)や高速のパルス信号を伝送する場合に顕著になる問題です。直流回路では問題になることはないのですが、回路の入出力インピーダンスが異なると線路上に反射による定在波が発生してしまう為インピーダンス値をあわせる必要があります。

FPCの伝送路では主に反射の問題から特性インピーダンスのマッチングが必要になることが多いです。

特性インピーダンスとは

特性インピーダンス:高周波域で伝送路が分布定数で表されるときの下記式によって表される性能です。

特性インピーダンスZ0=√{(R+j2πfL)/(G+j2πfC)}≒√(L/C)

f:周波数(Hz)
C:キャパシタンス(静電容量)・・・誘電率εr・線幅に比例、線間距離に反比例
L:インダクタンス(コイル) 電流と磁束との比例定数(L=μ(d/w) μ:透磁率 w:線幅 d:線間距離)
R:抵抗
G:コンダクタンス

特性インピーダンスはCとLに収束され、信号幅の太さ、絶縁材の材料(誘電率)と厚さ、信号線とグランドの近接度に影響されます。

高速伝送FPCの線路デザインについて(コプレーナ、マイクロストリップ、ストリップ)

FPCにおける高速伝送線路のモデル

高速信号線では、全長に渡り均一な特性インピーダンス値になるように設計していますので、一般的に伝送路のモデルは断面図で紹介されています。FPCでの高速伝送路は主にコプレーナ、マイクロストリップ、ストリップのモデルが挙げられます。

名称 コプレーナ マイクロストリップ ストリップ
名称 コプレーナ マイクロストリップ ストリップ
FPC層 片面 両面 3層以上
主な信号層配線
S:信号 G:グランド
G,S,G S or G,S,G S or G,S,G
G,S,S,G S,S or G,S,S,G S,S or G,S,S,G
コプレーナ
信号線、グランドが共に同一面に設置されている構成です。主に信号線幅と信号-グランド間隙で特性インピーダンスを制御します。片面FPCでの設計が可能です。信号線幅の設計の自由度が高いですが、信号-グランド間の電気結合は小さくなります。
マイクロストリップ
一方にグランド面を設置し、絶縁層を挟んだ反対面に信号線を配した構成です。主に信号線幅と信号-グランド面間の絶縁層厚により特性インピーダンス制御します。主に両面FPC(場合によっては多層FPC)での設計になります。信号-グランド間の電気結合が比較的強く、高速伝送路として最も多く用いられています。
ストリップ
絶縁層を介し信号線の表裏をグランド面で挟む構成です。主に信号線幅と絶縁層厚で特性インピーダンスを制御します。3層以上の多層FPCで設計されます。同軸線に近い構成であり最もノイズ特性に優れています。

各伝送線路の特性

コプレーナ、マイクロストリップ、ストリップの各モデルを用いたFPCの一般的な特性をまとめました。

名称 コプレーナ マイクロストリップ ストリップ
名称 コプレーナ マイクロストリップ ストリップ
信号層配線順(※) シングルエンド G,S,G
(信号線をグランド線で挟む)
S or G,S,G S or G,S,G
差動 G,S,S,G S,S or G,S,S,G S,S or G,S,S,G
信号層の高密度配線性(※) やや適合 最適 最適
伝送特性(※) 伝送損失 最適 適合 やや適合
ノイズ特性 適さない 適合 最適
クロストーク特性 適合 最適 最適
機械特性(※) 柔軟性・高屈曲性 最適 やや適合 適さない
主な使用例 (例)産業用製造装置内稼働配線 (例)ノートPC他 狭小部機器内配線 (例)耐ノイズ環境(医療・分析機器)
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  • 最適最適
  • 適合適合
  • やや適合やや適合
  • 適さない適さない

使用用途による伝送線路の使い分け

高速伝送FPCは、以上の特徴を踏まえて使用用途によりモデルを選択しています。原則的には下記のような使い分けをしています。

EMI・EMCを防ぐ耐ノイズ特性が必要な場合(医療機器内配線 分析装置内配線など)⇒ストリップ、マイクロストリップ

伝送損失を少なくしたい場合(光OE/EO周辺 高速信号伝送(例)3GHz~) 伝送路長が長いもの)⇒コプレーナ、マイクロストリップ(高速信号伝送)

高屈曲稼動特性が必要な場合(製造機器内スライド屈曲部)⇒コプレーナ

ただし「シールドつきで屈曲稼動させたい」など、上記のルールにあてはまらない構成も対応しています。お困りの際は当社にご相談いただければ幸いです。

用語の説明

信号配線順

シングルエンド伝送
1本の信号線で1つのデータを送る方式です。グランド(0V)と信号の電圧との電位差を使います。

シングルエンド伝送

差動伝送
2本の信号線で1つのデータを送る方式です。ドライバ側で+側と-側の信号波形2つに分けて伝送し、レシーバで差を取って合成するといった2つの信号の電位差を使います。

差動伝送

差動伝送は2本の信号の電位差で波形を構成するので、小さい電圧で波形を作れます。電圧が小さければ信号の立ち上がり時間が少なくてすむので、信号の周波数の高速化に対応できます。実際、最近の信号規格の多くは差動伝送になっています。

これらの伝送方式によって信号線を配線させる時の並べ方は以下になります。

シングルエンド方式

コプレーナ・・・グランド線で信号線を挟みます。(グランド 信号 グランドの並び)

ストリップおよびマイクロストリップ・・・信号線のみでの配線(信号 信号・・・)か、信号のクロストークを防ぐ目的で信号線をグランド線で挟む場合もあります。(グランド-信号-グランド)

差動方式
コプレーナ・・・グランド線で信号線および信号ペア線を挟みます。(グランド 信号+ 信号- グランドの並び)
ストリップおよびマイクロストリップ・・・信号ペア線のみでの配線(信号+ 信号- 信号+ 信号-・・・)か
信号のクロストークを防ぐ目的で信号ペア線をグランド線で挟みます。(グランド 信号+ 信号- グランド)

信号層の高密度配線性

信号線と同一面にグランドが必要なコプレーナと比較し、マイクロストリップおよびストリップは信号設置層以外にグランド面が配置されているため、信号層面でのグランド線が必ずしも必須ではなく線路数の削減により配線密度が向上します。

また、後述のクロストーク特性も信号線間距離が同じと仮定した場合、ストリップおよびマイクロストリップがコプレーナより優れており、グランド線の有無に関わらず配線密度が高い状態でもクロストーク特性に優位に働きます。

主にストリップ≧マイクロストリップ>コプレーナとなります。

伝送特性

伝送損失
損失は導体線路長に比例し、線路長が長くなるほど伝送損失が増大します。また、周波数特性を持っているため使用周波数が高くなるほど伝送損失が大きくなりますので、信号エラーを防ぐためにも使用される線路長や周波数帯によりFPCのデザインを考慮する必要があります。

インピーダンス整合された信号線幅は主に信号-グランド間隙のC(キャパシタンス)値により決まります。C値が高ければ信号線幅は細く、低い場合には信号線幅が太くなります。信号線幅が太ければ導体抵抗損が少なくなりますので高速信号伝送で有利に働きます。主にコプレーナ<マイクロストリップ<ストリップの順に損失が増していきます。

信号線幅を太くする(=C値を下げる)対策としては、絶縁層を厚くさせる、低誘電率の絶縁材料を用いる、グランド面をメッシュ構造にする等があります。

マイクロストリップ絶縁層厚によるインピーダンス推移・マイクロストリップ誘電率によるインピーダンス推移・マイクロストリップメッシュグランド加工によるインピーダンス推移

また、C値低減以外で伝送損失を低減させる対策として、液晶ポリマー材をはじめとした低誘電損失材を用いることにより、伝送損失内の誘電損失成分を低減させる対策方法もあります。低誘電材の使用は周波数が高いものほど損失低減効果が得られます。

ノイズ特性
信号線をグランドで覆うモデルであるほどノイズ特性は優れます。電気結合の強いものほど放射ノイズも少なくなります。コプレーナは電気結合が弱く耐ノイズ特性、放射ノイズ共にマイクロストリップ、ストリップに劣ります。

主にストリップ>マイクロストリップ>コプレーナの順になります。

クロストーク特性
信号間隙の確保が最も大きい要素です。同一間隙の場合では信号-グランド間等での電気的結合の強くなるモデルが優位になります。

主にストリップ>マイクロストリップ>コプレーナの順になります。

機械特性

柔軟性・屈曲性
FPCの特徴である柔軟性・屈曲性を最も活かす構成が基板総厚の最も薄い片面FPCであり、この片面FPCで設計可能なコプレーナが最も優位になります。通常の両面~多層FPCで構成されるマイクロストリップ、ストリップは屈曲には不向きですが、
  • グランド面のメッシュ化を行う
  • グランド面を薄膜金属シート等で代替する

等の方法で柔軟性改善は行えます。ただし屈曲性能はコプレーナに比べ大きく劣ります。柔軟性、屈曲性共にコプレーナ>>マイクロストリップ>ストリップの順に優れています。

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