ファイバーウィーブ効果

ファイバーウィーブ効果とは?

ファイバーウィーブ効果とは、PCB積層材の内部にあるガラス織布によって生じる、信号遅延とインピーダンスのばらつきです。ガラス束は間にある樹脂よりも誘電率(Dk)が高いため、実効Dkは配線の下にどれだけガラスがあるかで決まります。差動ペアでは、2本の配線の間のDk差がペア内スキューを生みます。このスキューは不均衡が続く区間で増え続け、長さを正確に合わせたペアであっても受信側のアイを閉じてしまいます。

ガラスと樹脂がスキューを生む仕組み

層構成に使われる積層材は、織られたガラスクロスを樹脂の中に埋め込んだもので、FR-4のコアとプリプレグの両方に共通します。信号速度は、電界が通る材料のDkによって決まります。

\[v = \frac{c}{\sqrt{D_k}}\]

ここで、cは光速です。

Quilterのファイバーウィーブ・シリーズ第1回では、説明用の値としてガラスにDk 6、樹脂にDk 3を用いています。この値では、純粋なガラス中の信号は純粋な樹脂中より約29%遅くなります。実際の配線の電界は両方の材料を通るため、実効Dkは両者の中間となり、配線の下と周囲にあるガラスと樹脂の比率で決まります。

差動ペアでは、2つの信号が同時に受信側に到着する必要があります。一方の配線の下に相手よりも多くのガラスがあると、その配線は遅くなり、ペアにスキューが生じます。長さマッチングは銅の長さをそろえますが、各配線の下にある材料は変わらないため、同じ長さの2本の配線でも到着時刻がずれることがあります。

配線に沿ったスキューの蓄積

スキューが長さにほぼ比例して増えるのは、一方の配線の下に他方よりも多くのガラスがある区間に限られます。配線が異なるオフセットで織り目を横切ると、不均衡が変化し、部分的に打ち消し合うことがあります。全長にわたってガラス束と平行に走る配線が最悪ケースであり、スキューの上限を決めます。

ファイバーウィーブ・スキューが基板ごとにばらつく理由

ガラスに対する配線の位置は、設計者にも製造業者にも制御できません。位置合わせの公差によって銅パターンと織布の間に小さなランダムなずれが生じ、ガラス束自体も寄り集まったり、伸びたり、ねじれたりします。同じガーバーデータと同じ積層材で製造した2枚の基板でも、測定されるスキューは異なることがあります。Bogatinらは46枚のテスト基板を調べ、79%で配線と織布の間に0.5°を超える回転があったこと、そしてわずか0.3°の回転でも4インチのテストラインではスキューが平均化されることを確認しました。ファイバーウィーブ・スキューは、インピーダンス制御された層構成のインピーダンス公差と同じように、公差を持つ分布として扱ってください。シリーズ第2回では、これをモデル化する2つの方法を紹介しています。

  • 解析的な範囲:Lambert Simonovichの手法では、同じ積層材ファミリーの樹脂リッチな106ガラス織布スタイルとガラスリッチな7628スタイルのDkを、想定されるDkの最小値と最大値とします。同氏の計算例では、範囲はDk 3.30からDk 4.02です。ペアの各配線にそれぞれの値を割り当てると、シミュレーション用のワーストケースのスキューが得られます。
  • 統計的な予測:Manukovsky、Shlepnev、Mordooch(2023)は、3D電磁界シミュレーションで織布の1周期にわたる各オフセットにおける差動ペアのスキューを計算し、スキューが限界値を超える確率を求めています。彼らはこれをDifferential Skew Exceedance(DSE)と呼んでいます。彼らの形状(4 milの配線、4 milの間隔、4 milの積層材)では、3 ps/inの限界に対する超過確率は、3313ガラスで77%、1080で67%、1078で47%、1035で0%でした。著者らは配線幅が広いほどばらつきが小さいと述べており、実際の層構成と配線形状では異なる数値になります。

信号品質への影響

現れる箇所

起きること

アイダイアグラム

スキューは水平方向のアイ開口からほぼそのまま差し引かれます。第1回のモデルでは、0.4ユニットインターバル(UI)のスキューによって1 UIのアイが約0.6 UIまで縮みます。

差動挿入損失(SDD21)

スキューが信号周期の半分に等しくなる周波数で伝送が落ち込みます。最初のヌルは\(f = 1/(2 \times \text{スキュー})\)に現れるため、100 psのスキューでは5 GHzに位置し、その奇数倍にもヌルが現れます。

インピーダンス

局所的なDkはインピーダンスも決めるため、インピーダンスは配線に沿って、また配線間でばらつきます。

ファイバーウィーブ効果が設計上の制約になるのは、蓄積したスキューがユニットインターバルの無視できない割合を占めるときで、それはデータレートと配線長によって決まります。バックプレーン、PCI Express(PCIe)リンク、その他のシリアライザ/デシリアライザ(SerDes)リンクのような長く高速なチャネルが最初に影響を受けます。高速PCB設計とシグナルインテグリティも参照してください。

ファイバーウィーブ効果を低減する方法

対策の多くは材料と製造に関する選択なので、配線を始める前、層構成を取り決める段階で製造業者と決めておいてください。

  • ガラス織布スタイル:前述のManukovsky、Shlepnev、Mordoochのシミュレーションでは、超過確率は3313ガラスの77%から1035の0%まで低下しました。Bogatinら(2017)の測定では、1プライ構成のピークツーピーク値は、スプレッドガラス2116の2.67 ps/inから1067の7.6 ps/inまでの範囲でした。
  • スプレッドガラスとプライ数:Bogatinらがスプレッドガラスと非スプレッドガラスを直接比較したのは1プライの1078の1例だけで、ほとんど差はありませんでした(スプレッド7.0 ps/in、非スプレッド6.8 ps/in)。著者らは、1例の比較だけでは一般化できないとしています。プライ数のほうが大きな差を生みました。1067の2プライ構成は1.23 ps/inで、1プライの1067は6.5 ps/inと7.6 ps/inでした。また研究中で最も低い0.81 ps/inは、機械的に開繊した1078 Lガラスの2プライ構成で得られました。積層材メーカーであるRogers Corporationは、スプレッドガラスでスキューが小さくなることを示す独自の測定結果を報告しています。
  • 斜め配線:織り目に対して角度をつけて配線すると、各配線の下のガラスと樹脂が平均化されます。2007年のIntelのファイバーウィーブ研究の著者の一人であるJeff Loyerは、その結果を次のようにまとめています。設計を約13°回転させると10インチ配線の最大スキューは51 psから6 psに減り、45°回転では11 psになりました。同氏は基板端に対して7°を推奨しており、これは1080ガラスの約2°に、ガラスと基板端の間の最大5°のずれを加えた値に相当します。Bogatinらは、織り目に対して12°の配線で35 GHz付近に共振が見られた例を挙げており、これは挿入損失に影響します。
  • パネル上での回転:製造業者に製造パネル上でアートワークを回転させてもらう方法もあります。レイアウトは直交のまま保てますが、パネル面積を消費します。Rogersの例では、12 × 18インチの基板2枚が18 × 24インチのパネルに収まりますが、12°回転させると1枚分の余地しかなくなり、基板1枚あたりの材料コストが2倍になります。
  • スキューバジェットとテストクーポン:選んだ積層材のスキュー範囲をモデル化し、そこから長さのバジェットを設定し、製造業者にテストクーポンでインピーダンスとスキューを測定してもらいます。

よくある質問

PCBにおけるファイバーウィーブ効果とは何ですか?

PCB積層材内部のガラスと樹脂のパターンによって生じる信号遅延のばらつきです。ガラスは樹脂よりDkが高いため、下にガラスが多い配線ほど信号が遅く伝わります。差動ペアでは、この差がペア内スキューとして現れます。

ファイバーウィーブ効果はガラスウィーブ効果と同じものですか?

はい。ファイバーウィーブ効果、ガラスウィーブ効果、ガラスウィーブ・スキューはいずれも同じ現象を指します。

長さマッチングでファイバーウィーブ・スキューは解消できますか?

いいえ。長さマッチングは銅の長さをそろえるだけで、2本の配線の下にあるガラスと樹脂の量は異なる可能性があります。対策は、積層材の選択、配線角度またはパネル上での回転、そしてスキューバジェットです。

ファイバーウィーブ・スキューは常に長さに比例して増えますか?

比例して増えるのは、一方の配線の下に他方よりも多くのガラスがある区間だけです。配線がオフセットを変えながら織り目を横切る箇所では、不均衡が変化し、部分的に打ち消し合うことがあります。完全に揃った場合が上限です。

ファイバーウィーブ・スキューは正確に予測できますか?

いいえ。織り目に対する各配線の位置はランダムなので、スキューは分布になります。解析的に範囲を求めることも、スキュー限界を超える確率を計算して歩留まりの見積もりとして使うこともできます。

ファイバーウィーブについて製造業者と相談すべきですか?

はい。チャネルが長く高速で、スキューがユニットインターバルの無視できない割合を占める場合は相談してください。ガラス織布スタイル、スプレッドガラス、プライ数、パネル上での回転はいずれも製造上の選択なので、層構成を取り決める段階で製造業者と決め、インピーダンスとスキューを測定するテストクーポンについても確認してください。

関連用語

プリプレグ · 差動ペア · 長さマッチング · 誘電率 · FR-4 · シグナルインテグリティ · 高速PCB設計

関連リソース

出典

Bogatin, Eric, Bill Hargin, Venkata Satya Sai Teja Paladugu, Don DeGroot, Amendra Koul, Seungyong Baek, Mike Sapozhnikov「New Characterization Technique for Glass-Weave Skew」Signal Integrity Journal、2017年3月2日。DesignCon 2017(カリフォルニア州サンタクララ)にて発表。https://www.signalintegrityjournal.com/ext/resources/article-images-2017/4103/4103_SIJ_GlassWeave.pdf

Loyer, Jeff「Re: Resedn:Mitigating PCB Fiber Weave Effect」SI-LISTメーリングリスト、2012年10月26日。https://www.freelists.org/post/si-list/ResednMitigating-PCB-fiber-weave-effect,6

Manukovsky, Alex, Yuriy Shlepnev, Shimon Mordooch「Quantification of Delay and Skew Uncertainty due to Fiber Weave Effect in PCB Interconnects」2023 IEEE 32nd Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems(EPEPS)発表論文、カリフォルニア州ミルピタス、2023年10月15〜18日。https://www.simberian.com/AppNotes/FWE_Quantification_EPEPS_2023_final.pdf

Nurmi, Bob, John Coonrod, Vitali Judin「Material-Induced Skew in High-Speed Multilayer PCBs: Influences and Mitigation Strategies」Signal Integrity Journal、2026年1月17日。https://www.signalintegrityjournal.com/articles/4105-material-induced-skew-in-high-speed-multilayer-pcbs-influences-and-mitigation-strategies

Quilter「ファイバーウィーブ効果を理解する:ガラス織布から差動スキューまで(第1回)」2026年8月27日。https://www.quilter.ai/ja/blog/fiber-weave-effect-part-1

Quilter「ファイバーウィーブ・スキューのモデリング:解析的な範囲と統計的なスキュー予測(第2回)」2026年9月16日。https://www.quilter.ai/ja/blog/fiber-weave-effect-part-2

Simonovich, Lambert「Practical Fiber Weave Effect Modeling」ホワイトペーパー第3版、LAMSIM Enterprises、2012年3月2日。http://lamsimenterprises.com/Practical_Fiber_Weave_Modeling_Iss3_Mar2_12.pdf

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