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並走2線間の容量と基板の厚み


プリント基板EMC Q＆A

相互キャパシタンスの基礎

図1　相互キャパシタンスの減少は，容量性クロストークの低減に直結する．容量性クロストークは$C_{12}$に比例するため，基板厚を小さくすることで信号干渉を抑制できる．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］櫻井秋久
詳細：［Book/pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC即答200

プリント基板の信号配線では，隣接する2本の線路間に相互キャパシタンスが形成されます．これは容量性結合とも呼ばれ，信号のクロストークを引き起こす要因です．相互キャパシタンスは線路間の電位差により生じる電気力線の数で決まり，基板の厚みや線路の配置に強く依存します．

相互キャパシタンスの基礎

配線1と配線2が並走して配置され，その下にグラウンド面が広がっている構造を考えます．このとき，配線どうしの間には相互キャパシタンス$C_{12}$が生じます．相互キャパシタンスは単位長さあたりの値として表現され，基板設計の重要な指標になります．

例として，グラウンド面から高さ1mmの位置に配置された2本の配線において，相互キャパシタンスが20pF/mであるとします．このとき，基板厚を0.25mmに低減すると，相互キャパシタンスは減少することが知られています．

基板厚と電気力線の関係

相互キャパシタンスは電気力線の分布に依存します．配線間に電位差があると電気力線が発生し，一部は配線間を結び，一部はグラウンド面に向かいます．基板厚を小さくし，配線をグラウンド面に近づけると，より多くの電気力線がグラウンド面に集まります．その結果，配線間の電気力線が減少し，相互キャパシタンス$C_{12}$が小さくなるのです．

相互キャパシタンスの減少は，容量性クロストークの低減に直結します．容量性クロストークは$C_{12}$に比例するため，基板厚を小さくすることによって信号干渉を抑制できます．

設計上のポイント

基板厚と配線配置を工夫することで，クロストークを効果的に低減できます．以下に設計上の注意点を示します．

  1. 配線をグラウンド面に近づけることで，相互キャパシタンスを減少させる
  2. 単位長さあたりの相互キャパシタンスを意識し，クロストークが問題となる信号は基板厚を小さく設計する
  3. 容量性クロストークは$C_{12}$に比例するため，基板厚を制御することがもっとも直接的な対策となる

基板厚を1mmから0.25mmに低減した場合，相互キャパシタンスは減少し，容量性クロストークも抑制されます．配線長が長くなる高速信号ラインでは，この効果が設計品質に大きく寄与します．

Q＆A

問：グラウンド面から高さ1mmにある2本の配線で，相互キャパシタンスが20pF/mの場合，高さを0.25mmに下げるとどうなるか． 答え：相互キャパシタンスは減少します．

理由は以下のとおりです．

  1. 相互キャパシタンスは配線間の電気力線の量で決まる
  2. 配線をグラウンド面に近づけると，電気力線はグラウンド面に集中する
  3. その結果，配線間の電気力線が減少し，$C_{12}$が小さくなる
  4. 容量性クロストークは$C_{12}$に比例するため，クロストークが低減される

基板設計におけるクロストーク対策の1つとして，基板厚を小さくして相互キャパシタンスを制御する方法は有効です．高速信号の安定伝送には，この観点からの設計検討が不可欠です．

〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 櫻井 秋久
  • 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
  • 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
  • 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
  • 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
  • 2020年　同社退社
  • 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
  • クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
  • クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
  • 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
  • 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

  1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．