高速基板対基板コネクタを使用して、性能と回路密度の向上を実現

電子機器は小型化する一方で、データレートは増加しています。このような傾向に対応するため、設計者は、データレート、信頼性、シグナルインテグリティを維持しながら、より多くの回路を小さなスペースに組み込む必要があります。設計者は、冷却のためのエアフローや、電磁妨害（EMI）を最小限に抑えるための物理的な分離にも対処しなければなりません。

回路密度を高めるための一般的な解決策は、プリント回路基板のスタッキングです。ドーターボードとメザニンサブボードを使用することで、冷却と信号分離のための経路を提供しながら、回路基板面積を増やすことができます。

この記事では、高速回路の設計者が直面する課題について簡単に説明します。次に、Würth Elektronikの基板対基板コネクタを取り上げ、シグナルインテグリティを維持しながら信頼性の高い信号接続を実現する方法をご紹介します。

メザニンボード

メザニンボードのレイアウトは、2枚の平行なプリント回路基板を1枚ずつ重ね、基板対基板コネクタで接続したものです（図1、左）。

図1：さまざまなメザニン実装プリント回路基板の例を示します（左）。2次基板はコネクタ、面実装、またはネジ山付きスペーサーで実装できます（右）。（画像提供：Würth Elektronik）

この2枚のプリント回路基板による基板間接続は、回路用の追加の物理的スペースを提供します。これにより体積効率の向上、互換性の確保、あるいは物理的な分離によるエアフローの改善やEMI低減が可能となります。基板対基板コネクタは基板を相互接続し、ケーブルは使用されません。メザニンボードコネクタは、基板間隔を決定するさまざまなスタック高さを提供します。上部基板はコネクタで支持・保持するか、面実装またはネジ山付きスペーサーで固定し、耐振動・耐衝撃性を高めることができます（図1、右）。

シグナルインテグリティに関する考慮事項

シグナルインテグリティとは、ある基板から別の基板へコネクタを通して信号が伝送される際に、信号がどのように歪んだり減衰したりするかを説明するものです。これらの影響の中には、接触抵抗など、周波数に依存しないものもあり、簡単に説明し補正することができます。

しかし、周波数に依存する2つの重要なシグナルインテグリティパラメータは、反射係数（ρ）と透過係数（t）です（図2）。透過係数は通常、挿入損失としてデシベル（dB）で表されます。反射係数（リターンロス）は、インピーダンス値の変化が生じた際にデータ信号がソースに反射されることで発生します。挿入損失は伝送路の減衰を定量化します。どちらも、プリント回路基板のラインインピーダンス（Z_s）に対するコネクタのインピーダンス（Z_CAB）に依存します。

図2：リターンロスと挿入損失は、プリント回路基板のラインインピーダンスに対するコネクタのインピーダンスに依存します。（画像提供：Würth Elektronik）

伝送損失は、信号がコネクタを通過する際に信号振幅を減少させ、経路長とコネクタの形状に比例します。また、近端クロストーク（NEXT）や遠端クロストーク（FEXT）によってエネルギーが損失される場合もあります。リターンロスと透過係数は周波数に依存するパラメータで、コネクタのインピーダンス（ケーブルとしてモデル化）とプリント回路基板の伝送ラインインピーダンス（この例では50Ωと仮定）の差に依存します。反射係数と透過係数は図示の式で定義されます。

図2のグラフは、コネクタ（ケーブル）インピーダンスの関数として、これらのパラメータの変化を示しています。コネクタのインピーダンスが50Ωの場合、理論上のリターンロスはゼロであり、透過係数は100%で、損失がないことを示します。コネクタのインピーダンスが50Ωと異なる場合、パラメータは50Ωとの差に比例し、周波数に応じて変化します。コネクタでは、インピーダンスは、使用される絶縁材料と、コンタクトピンの幅、長さ、間隔（ピッチ）などの形状に依存します。また、隣接するピンの配線にも影響されます。

高速データを伝送するための一般的な配線構成には、データ信号がグランドを基準とするシングルエンドと、2本の相補的な信号ラインを持つ差動の2種類があります。データ信号の振幅は、それらの電圧差です（図3）。差動信号は、デュアル信号ラインのノイズと干渉を低減するために使用されます。一般に、差動信号は最も高いデータレートで使用されます。データ信号は通常、ノイズのピックアップを減らすために1つ以上のグランド信号とペアになっています。

図3：ノイズと干渉のピックアップを低減するための中間グランド導体の使用を説明する3つの一般的な信号配線構成を示します。（画像提供：Würth Elektronik、著者により変更）

シングルエンド配線は通常50Ωの特性インピーダンスで設計され、差動配線は100Ωで設計されます。コネクタから基板へのピンの選択は、グランド導体の性能に影響を与える可能性があります。

シグナルインテグリティの観点から、基板対基板コネクタは、指定されたインピーダンスとデータレートをサポートするように設計されなければなりません。

基板対基板コネクタの例

高速データアプリケーションにおける信号コネクタの優れた選択肢として、Würth ElektronikのWR-BTBシリーズが挙げられます。これらは、40、80、100ピンで0.80mmピッチ、64ピンで1.00mmピッチの面実装基板対基板コネクタです。1.00mmピッチの64ピンコネクタは、IEEE 1386メザニンコネクタの要件に適合しています。0.80mmピッチのコネクタは、逆嵌合を防止するために極性化されています。各ピン数で複数のスタッキング高さが利用可能です。

すべてのWR-BTBコネクタは、選択的に金メッキされた銅合金コンタクトを備え、ピン数に応じて接触抵抗は50mΩ以下です。コネクタ本体は、保証されたハロゲンフリープラスチック製で、強度、電気抵抗、プリント回路基板組み立て時のはんだ付け温度耐性、防火性能を損なうことなく、より環境に優しいものとなっています。動作温度範囲は-55～85°Cです。さらに、RoHS 3にも準拠しています。

RFコネクタとは異なり、WR-BTBコネクタの特性インピーダンスは固定されておらず、コンタクト寸法、下地基板の誘電率、プリント回路基板の配線レイアウトなどに依存します。WR-BTBコネクタは、50Ωシングルエンドまたは100Ω差動ペア伝送ライン用の高速プリント回路基板システムにおいて、信号の反射を最小限に抑える設計となっています。たとえば、0.8mmおよび1mmピッチのコネクタは、480メガビット/秒（Mbit/s）のPCIe 2.0信号またはUSB 2.0差動信号に対応しています。

特定のWR-BTBプラグ/レセプタクルコネクタペアの例は、658158303064 64ピンプラグ（図4、左）とその658101003064嵌合レセプタクル（図4、右）です。これらは、1.00mmピッチ、コンタクト幅0.30mmのシュラウド型64ピンコネクタです。コネクタの定格動作電圧は100V_AC、電流は1000ミリアンペア（mA）です。これらのコネクタの最大接触抵抗は30mΩです。どちらのコネクタも面実装基板ガイドを内蔵し、ピックアンドプレース（PnP）クリップを含みます。これらは、PnPマシンのバキュームノズルがコンタクトを損傷することなくコネクタをピックアップするための平らな表面を提供します。

図4：PnPクリップ付き64ピン、1.0mmピッチ、プラグ/レセプタクルのペアを示します。（画像提供：Würth Elektronik）

この製品ファミリで利用可能な最大ピン数は100ピンで、たとえば658855603100 0.80mmピッチ100ピンプラグは658807713100レセプタクルと嵌合します。これらのコネクタは50VACの電圧定格を有し、最大500mAの電流に対応します。最大接触抵抗は50mΩです。

スタッキング高さは、プラグとレセプタクルペアの特定の組み合わせを選択することによって選択されます。利用可能なスタッキング高さは、ピン数とピッチに依存します（図5）。

図5：スタッキング高さは、コネクタのピッチとピン数に応じて選択可能です。（画像提供：Würth Elektronik、著者により変更）

658158303064プラグと658101003064レセプタクル（青色で強調表示）のスタッキング高さは、嵌合時14.75mmです。レセプタクルを658105303064（緑色で強調表示）に変更すると、スタッキング高さは9.75mmになります。2つのプラグ部品と3つのレセプタクルにより、7.75mmから14.75mmまでの6つのスタッキング高さが64ピン1.0mmコネクタに利用可能です。0.80mmピッチのコネクタは、より幅広いスタッキング高さを提供します。

対照的に、658855603100 0.80mmピッチ100ピンプラグと658807713100レセプタクルを嵌合した場合、スタッキング高さは10mmのみとなります。

アプリケーション

基板対基板コネクタは、民生用電子機器、車両システム、産業用オートメーション、医療機器など、幅広い用途で使用されています。

基板対基板コネクタを使用するメザニンボードは、以下の場合に使用できます。

• エアフローの改善と冷却のための物理的スペースが必要なサブアセンブリ用
• 複数の製品モデルで共通のサブアセンブリを使用できるようにすることで、コスト削減を実現
• 2枚の基板を接続する前に別々に組み立てることで、組み立てを簡素化
• プリント回路基板を取り外し、再接続できるようにすることで、設計の柔軟性を実現
• メザニンサブアセンブリとして分離できる、無線周波数（RF）や高電圧（HV）電源などの特殊回路用
• 基板の容易なアップグレードを実現

これらは、基板対基板コネクタを備えたメザニンボードによって実現される機能のほんの数例に過ぎません。

環境および安全認証

WR-BTBコネクタは、コネクタに適用される一般的な環境・安全基準の認証取得または適合製品です（図6）。

認証：

図6：WR-BTBの環境および安全認証を示します。（画像提供： Würth Elektronik）

まとめ

メザニン構成で使用されるWürth Elektronikの基板対基板コネクタは、電子機器の体積効率、シグナルインテグリティ、および信頼性を向上させます。また、冷却のための効率的なエアフローを提供し、電磁絶縁を改善し、組み立てを簡素化します。