<4D F736F F F696E74202D E D836A834E83588AEE A837E B325F534995D C576322E B B B82AA914F89F195DB91B68DCF82DD5D>

テクトロニクス イノベ ション フォ ラム

2013

2013年7月2日

テクトロニクス・イノベーション・フォーラム

2013

高速信号伝送の基礎と

高速信号伝送の基礎と

高速信号伝送の基礎と

高速信号伝送の基礎と

設計トレンド最前線

設計トレンド最前線

_22--SI

_SI編

編

設計トレンド最前線

設計トレンド最前線

_22--SI

_SI編

編

芝浦工業大学 電子工学科

須藤俊夫

A-2

内容

内容

背

内容

内容

１．SI・PI・EMIの課題と背景

２ クロストークとスルーホール

２．クロスト クとスル ホ ル

３. 導体損失と誘電損失

４. ガラスクロスの影響

５ 銅箔粗化 影響

５．銅箔粗化の影響

６ まとめ

６．まとめ

SI

SI、

、PI

PI、

、EMI

EMIの相互関連性

の相互関連性

SI

PI

SI

(ｼｸﾞﾅﾙ・ｲﾝﾃｸﾞﾘﾃｨ)

(ﾊﾟﾜｰインテグリテｨ)

・SSN、グラウンドバウンス ・基板給電面の共振解析 ・反射ノイズ 電源揺れによる 基板給電面の共振解析 ・基板給電インピーダンス ・電源デカップリング ・クロストークノイズ ・アイパターン/ジッタ 電源揺れによる 信号ｼﾞｯﾀ増大 電源系のEMI ( モンモ ド放射) 信号系のEMI (ノ マルモ ド放射)

EMI/EMC

(コモンモード放射) (ノーマルモード放射)

EMI/EMC

・遠方界スペクトラム ・3D空間放射パターン3D空間放射パタ ン ・近傍電磁界

チップ内、ボード上信号の高速化動向

10GHz 10GHz 高速シリアルI/O P i 4 XIO(3.2Gbps) P i 4 GHz帯に突入 DDR4(3.2 Gbps) Serial ATA (1.5Gbps) PCI Express (2.5Gbps) HDMI USB3 FlexIO(5Gbps) Multi-core (MHz) PentiumⅢ Pentium4 DDR2 (～800Mbps） 差動伝送 差動伝送 (MHz) PentiumⅢ 1GHz Pentium4 DDR3 (1.6 Gbps) 差動伝送 差動伝送 HDMI USB3 周波数 100 MHz 内部クロック周波数 Pentium SDRAMA（133 MHz ) 周波数 DDR (～400 Mbps) Pentium シングルエンド伝送 66MHz 100MHz 33MH i386 66MHz _{メモリバス周波数} 100MHz 33MH i386 90 95 2000 2005 10MHz 33MHz 95 2000 2005 20XX 10MHz 33MHz 90 95 95 2000 2005 2000 2005 20XX 年

信号劣化・損失を引き起こす要因

信号反射 導体損失 スルーホール構造 表皮効果 表面粗さ 導電率 はんだボール 終端抵抗 差動インピーダンス スタブ長 インダクタンス クリアランス リターン不連続 立上り時間 _配線長 導電率 差動インピ ダンス 配線長 インダクタンス

信号

劣化

ESD容量 チャネル間隔 配線長 立上り時間 誘電正接 誘電率 配線長 モード分散 コーナ、角 基板共振との結合 クロストーク 誘電損失 電磁波挙動 帯 料特性 線構造 が 響を ぼす 分布定数線路としての挙動 GHz帯で顕著となる挙動 ●GHz帯では、材料特性や配線構造までが影響を及ぼす

クロストークとスルーホール

クロストークとスルーホール

差動信号伝送特性の解析モデル

ドライバLSI _{レシーバLSI} パッケージ

PRBS

(5Gb )

ODT (50Ω) パッケージ

(5Gbps)

アイパターン 観測点 ODT :オンチップ終端 Ci

プリント基板

_(PCB)

オンチッ 終端 Ci :入力容量 PRBS ：擬似ランダム信号

スル ホ ルモデル

ボードとパッケージの伝送線路モデル

z

z HSPICE WHSPICE W--element element モデルモデル (RLGC style) (RLGC style) (2D (2D電磁界ソルバ電磁界ソルバ)) -10 -5 0 タ [ dB]

スルーホールモデル

z z 3D3D電磁界ソルバによる電磁界ソルバによるSSパラ抽出パラ抽出 R CL G R CL G -35 -30 -25 -20 -15 -10 0 5 10 15 20 25 Frequency [GHz] 差動 S パ ラメ ー タ Sdd11 Sdd21

アイパターンの評価指標

開口

開口

½ UI

½ UI

ジ タ

ジ タ

開口

開口

ジッタ

ジッタ

UI ： Unit Interval

チャネル間クロストークの解析モデル

ド イバ ドライバLSI レシーバLSI 入力バッファ レシーバLSI 入力バッファ 30cm パッケージ ドライバLSI 出力バッファ パッケージ 50Ω ドライ S 出力バッファ 50Ω 入力 ッファ 観測点 N

S2

S2

パッケ ジ パ ケ ジ 5Gbpsの PRBS 1.5pF 1.5pF パッケージ パッケージ 観測点 P PRBS ドライバLSI 出力バッファ _{入力バッファ}レシーバLSI

S2

S2

パッケージ _{パッケージ} プリント配線基板

プリント配線板の断面構造

マイクロストリップ線路（

MSL）

チャネル チャネル11 チャネルチャネル22 チャネルチャネル33

S2

S2

S2

S2

_{L / S1 / L （um）} S1 L L = 90 / 120 / 90 差動インピーダンス S1

ストリップ線路

_(SL)

Zdiff = 100Ω S2 （um） ： チャネル チャネル11 チャネルチャネル22 チャネルチャネル33 100、200、300、500、700 tanδ： 0 0 01 0 04

S2

S2

S2

S2

S1 L L 0、0.01、0.04 S1

クロストークノイズが信号品質に及ぼす影響

タイミングジッタ

電圧開口

70 80 200 250

ps]

[mV]

30 40 50 60 ジ ッタ [ ps ]

better

100 150 200 開 口 [ m V] 表層配線 内層配線

better

g jitter [

p

opening

MSL

SL

0 10 20 30 ジ _表層配線 内層配線 0 50 開 内層配線

timin

g

voltage

o

MSL

SL

SL

0 200 400 600 800 チャネルギャップ S2 [um] 0 200 400 600 800 チャネルギャップ S2 [um]

v

Channel gap, S2 [um]

Channel gap, S2 [um]

z チャネルギャップを広く取れる場合は、マイクロストリップ線路が有利 z 高密度配線とするには、ストリップ線路の方が有利高密度配線 する は、 トリッ 線路の方 有利

【スルーホールの影響】 磁界分布

解析モデル （8層プリント配線板） 差動信号 入力 信号用スルーホール 電源・GND プレーン GND接続用スルーホール 長いスタブ 長いスタブ 短いスタブ短いスタブ L2層 L1層 L4層 L3層 L6層 L5層 L8層 L7層 L3層 長 タ スタブ 1.4mm L2層 L1層 L4層 L3層 L6層 L5層 L8層 L7層 L3層 長 タ スタブ 1.4mm L2層 L1層 L4層L3層 L6層 L5層 L8層 L7層 L6層 0.3 mm L2層 L1層 L4層L3層 L6層 L5層 L8層 L7層 L6層 L2層 L1層 L4層L3層 L6層 L5層 L8層 L7層 L6層 0.3 mm タブ 信号伝送品質が劣化 スタブ

貫通

スルーホールの通過特性

貫通TH

0

MSL

-10

-5

B

]

_{TH （short stub）}

-20

-15

d

d21

[d

B

TH （long stub） 短い スタブ SL

-30

-25

S

d

スタブ 長い スタブ SL

-35

30

0

5

10

15

20

25

0

5

10

15

20

25

Frequency [GHz]

シミュレーションと実測の合わせ込み

-FlexIO(5Gbps)-Cell Super Companion Chip 観測ポイント 50mm -0.7 -0.6 -0.9 -0.8 -1 -1.2 -1.1 実測 シミュレーション -1.3 0 2 4 6 8 10

温度 電圧

変動 シ

イ ピ ダ

バ

キ

が変わる

温度,電圧の変動、シリコン,インピーダンスのバラツキでEyeが変わる

導体損失と誘電損失

導体損失と誘電損失

信号の劣化 損失要因

信号の劣化・損失要因

DCでの損失

・直流抵抗

信号伝送

直流抵抗

ACでの損失

・誘電損失

誘電損失

・導体損失

・散乱損失

分布定数線路の等価回路

分布定数線路の等価回路

l = x 0 = x v( tx, ) ) , ( tx i i（t）

インダクタンス

_{L 抵抗 R}

単位区間当り

容量

C

_{コンダクタンス}

_G

v（t）

導体損失と誘電損失の起源

– 特性インピーダンス

⎬ ⎫ ⎨ ⎧ + ) ( 1 1 R G L L j R Z

ω

– 伝搬定数

G R ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ − + = + = ) 2 2 ( 1 C G L j C C j G j Zo

ω

ω

ω

⎟ ⎞ ⎜ ⎛ ₊ + = ⎬ ⎫ + ⎨ ⎧ + ≅ + + = + + = + GZo R LC j G R LC j C j G L j R LC j G C j R L j j 1 ) ( 1 1 ) 1 )( 1 ( ) )( ( ϖ ϖ ϖ ϖ ϖ ω ω β α

– 導体損失

⎟ ⎠ ⎜ ⎝ + + = ⎭ ⎬ + ⎩ ⎨ + ≅ GZo Zo LC j C L j LC j 2 ) ( 2 1 ϖ ϖ ϖ

導体損失

• Skin depth

σ πμ πμ ρ δ f f 1 = =

– 誘電損失

(tanδ)

_G

₌

_ϖ

_C

_tan

_δ

表皮効果

表皮効果

表皮深さdは

f

f

πμ

ρ

πσ

ωσμ

=

=

=

μ

ｄ

2

1

f

f

πμ

πσ

ωσμ

μ

Cuの場合には σ=5 8×107 _{(S/m) あるいはρ=1 72×10}-8 _{(Ωm)であるため} Cuの場合には、σ=5.8×10 (S/m)、あるいはρ=1.72×10 (Ωm)であるため f[Hz]とすると、以下のようになる。なお 透磁率は 0 ₁₀7 4π μ =

d

0

.

066

f

d

=

[m]

表皮深さの周波数依存性

100

10

m)

Cu

10

厚

さ

(μ

深

さ

1

表

皮の

厚

深

表

0.1

0.01

0.1

1

10

波数 (

)

周波数 (GHz)

表皮効果：深さ方向の電流分布

表皮効果 深さ方向の電流分布

0 1 2 3 4 5 6 7 8 μm (1GHz) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 μm (1GHz) d x

e

−

0

1

2

3

4

d

x

表皮効果

－配線断面内の電流集中の周波数依存性－

100MHz 500MHz 1GHz 100MHz 500MHz 1GHz δ 2 08 δ 6 6 δ 2 95 Skin depth δ=2.08 um δ=6.6 um δ=2.95 um MS線路 W=210um、t=28um

表皮効果による導体損失

f

f

R

=

=

=

×

×

−7

10

6

.

2

1

πμρ

ρ

マイクロストリップ線路の場合

W

W

Wd

R

=

ρ

=

=

7 0

10

4

π

μ

μ

=

=

ここで配線は非強磁性体とすると、 リターン分の抵抗も考慮 する必要がある

10

導体損失は、Z₀を50Ωとし、配線長を とすると

)

(l

l

V

l

l

l

l

R

R

R

×

−

=

×

−

=

×

×

−

=

20

0

.

4343

0

.

4343

0

.

08686

)

(

log

20

log

20

)

0

(

)

(

log

20

₁₀

l

₁₀ l ₁₀

_l

l c C C

V

V

Loss

=

=

ε

−α

=

ε

−

α

l

l

l

R

Z

Z

×

×

×

×

0

.

4343

0

.

08686

2

4343

.

0

20

0 0 8 単位長当りの導体損失は

[dB]

)

(

)

(

715

10

26

.

2

8

m

W

GHz

f

W

f

Loss

_C

μ

=

×

×

=

−

[dB/m]

導体損失は周波数の平方根に比例する

誘電正接（tanδ）

虚軸

|Y|

jωC

G

C

δ

G=ωCtanδ

G

C

実軸

Y=G+jωC

実軸

G

0

Y=G+jωC

誘電正接による誘電損失

誘電損失は

G

=

ω

C

tan

δ

から

)

)(

(log

20

log

20

)

0

(

)

(

log

20

₁₀

l

₁₀ l ₁₀

_l

l D D D

V

V

Loss

=

=

ε

−α

=

ε

−

α

l

l

l

=

−

×

×

=

−

×

×

×

×

−

=

₄

_.

₃₄₃

₂

_π

_tan

_δ

₉

_.

₀₉

₁₀

−

_ε

_tan

_δ

2

20

0 8 r

f

LC

f

GZ

[dB]

単位長当りの誘電損失は

[dB]

[dB/m]

)

(

tan

9

.

90

f

GHz

Loss

_D

=

ε

_r

×

δ

×

誘電損失は周波数に比例する

導体損失と誘電損失の周波数特性

100

10

)

1

(d

B/m

0.1

0.017 0.01 0.004

減衰

0.01

0.004 200×35 100×18 50×18

0.001

0.01

0.1

1

10

50×18

周波数 (GHz)

誘電体による損失比較

0 STL single 200mm MW-G FR 4 -4 -2 FR-4 MEG4 MEG6 -8 -6 ] -8.1dB -12 -10 損失 [dB ] -10.3dB -16 -14 -20 -18 -19.5dB 20 0 5 10 15 20 周波数 ｆ [GHｚ]

評価基板の測定例

評価基板の測定例

– 評価基板 @ 1 GHz – 評価基板 • 誘電損の比較(3種類) εr tan δ Ａ(FR 4) 4 35 0 017 Ａ(FR-4) 4.35 0.017 Ｂ 3.7 0.010 Ｃ 3.5 0.004 (単位：mm) • 線路構造の比較(MS線路とST線路) W/S H L MS線路 0.18/0.18 0.1 150/300 ＳＴ線路 0.08/0.08 0.1 150/300 – 測定方法 • PRBS発生器： アンリツ MP1761C

ガラエポ(FR-4)基板はどこまで使えるか？

2 5Gbps 2.5Gbps 100ps/div 5.0Gbps 50ps/div 10 Gbps 20ps/div MS 15cm MS 30cm ST 15cm ST 30cm 20ps/div ・ST線路はMS線路より劣化が大きい。配線長の影響も大きい。

低誘電損失材料による改善度(1)

MS線路 30cm 2.5Gbps 100ps/div 5 0Gbps 5.0Gbps 50ps/div 10 Gbps 20 /di A (FR-4) B Ｃ 20ps/div ( ) ・MS線路では低誘電損失材料の効果は少ない。

低誘電損失材料による改善度(2)

ST線路 30cm 2.5Gbps 100ps/div 5.0Gbps 5.0Gbps 50ps/div 10 Gbps A (FR-4) B C 20ps/div A (FR 4) B C ・低誘電損失材料はST線路や配線長が長い場合に効果は大きい。

ガラスクロスの影響

ガラスクロスの影響

配線断面のSEM画像

ガラスクロスの種類

ピッチ：300 400 um ピッチ：300-400 um

ガラスクロスのモデル化

上から

ガラ ス 繊 （参考資料） 維の 隙間

断面

ガラス繊維がクロス しているところる ガラス繊維の隙間 ガラス繊維の隙間

差動伝送特性：コモン成分への変換

Sdd21： （入力）差動モード ⇒ （出力）差動モード Scd21： （入力）差動モード ⇒ （出力） コモンモード ガラスクロスあり ガラスクロスなし -20 0 dB] -20 0 dB] Sdd21 -60 -40 pa ra m et er [ d Sdd21 -60 -40 pa ra m et er [ d Scd21 -100 -80 0 10 20 30 40 S p Sdd21 Scd21 -100 -80 0 10 20 30 40 S p 0 10 20 30 40 Frequency [GHz] 0 10 20 30 40 Frequency [GHz] ■ ガラスクロスの影響により ペア信号線間のスキューが大きくなり ■ ガラスクロスの影響により、ペア信号線間のスキューが大きくなり、 差動モードからコモンモードに変換される率が高くなる

45度斜め配線の効果 （シングルエンド）

0 0 θ = 0

度

_{θ = 45}

度

-1 -0.5 0 21 [ dB ] -1 -0.5 0 21 [ dB ] -2 -1.5 S 2 Posi配線 Nega配線 -2 -1.5 S 2 Posi配線 Nega配線 180 180 -60 0 60 120 180 S 21 [d eg ] -60 0 60 120 180 S2 1 [ d eg ] -180 -120 60 0 10 20 30 40 Frequency [GHz] S -180 -120 0 10 20 30 40 Frequency [GHz] ■ 45度斜め配線にすることにより、Posi配線とNega配線の遅延差が緩和される

45度斜め配線の効果の実測検証

基板① 信号配線がガラスクロスと平行 基板② 信号配線がガラスクロスと45度

ガラス 信号配線

45度斜め配線の効果の実測検証結果

（配線長

₁₀

）

-20 0 -1 0 _{Sdd21 Scd21}

（配線長：

_{10 cm）}

-60 -40 20 S cd 21 [dB ] θ -3 -2 1 S dd2 1 [ dB ] -100 -80 0 5 10 15 20 S _{θ = 0 deg} θ = 45 deg -5 -4 0 5 10 15 20 S θ = 0 deg θ = 45 deg 0 5 10 15 20 Frequency [GHz] 0 5 10 15 20 Frequency [GHz] Sdd21 Scd21 θ 2.5GHz 10GHz 20GHz 2.5GHz 10GHz 20GHz 0 deg -1.08 -2.176 -3.990 -39.388 -27.585 -26.500 45 deg -1.136 -2.229 -4.324 -55.964 -34.242 -34.229 10 dB程度 低下 ■ Sdd21に対しては大きな影響はないが、Scd21に対しては影響は大きく、 コモンモードの抑制に効果的といえる ■ 解析と同様の傾向を示す

銅箔粗化の影響

銅箔粗化の影響

銅箔表面の粗さ

銅箔表面の粗さ

B

C

導体表面の粗さ

Cu表面の山谷測定例

Cu表面粗さに対する挿入損失S

₂₁

測定結果

7 i 17 78 7 in = 17.78 cm 出典：ホール&ヘック 高速デジタル回路設計丸善出版

まとめ

まとめ

まとめ

まとめ

１）高速化 高周波化が進み ますます銅配線でどこまで達成でき

１）高速化、高周波化が進み、ますます銅配線でどこまで達成でき

るかのチャレンジが進んでいる。

２）表皮効果による導体損失 誘電正接による誘電損失を正確に

２）表皮効果による導体損失、誘電正接による誘電損失を正確に

見積もる必要ができてきた。

３）差動伝送においてガラスクロスは 差動信号をコモン成分に

３）差動伝送においてガラスクロスは、差動信号をコモン成分に

変換させ、信号品質の劣化をもたらす要因となる。

４）

_{GH 領域では まず低誘電損失化は不可欠になっていくと考え}

４）

_{GHz領域では、まず低誘電損失化は不可欠になっていくと考え}

られ、相対的に導体損失の比率が増える。従って銅箔自体の

影響度が大きくなるため、粗化による散乱損失も損失要因とし

影響度が大きくなるため、粗化による散乱損失も損失要因とし

て顕在化してきた。