Chapter 05

層構成（スタックアップ）— すべてはここで決まる

この章のゴール.

層構成を「層数を決めること」ではなく、 リターン電流の道とインピーダンスの素地を決めることとして理解すること。 そして 2 層・4 層・6 層の典型的な並びを、根拠つきで選べるようになること。

この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. 基板メーカ（01 章 4 節）

1. スタックアップとは

スタックアップ（層構成）とは、 「どの層に何を配置し、層と層の間を何 mm 空けるか」を決めた表のことである。

これは配線を始める前に決めなければならない。理由は 3 つ。

1. 特性インピーダンス（10 章）は、配線と基準面の距離で決まる。距離が決まらないと線幅が決まらない
2. リターン電流（08 章）の道が層構成で決まる。ここが悪いと配線でいくら頑張っても取り返せない
3. 板厚と層数は価格と納期に直結し、機構設計にも関わる

2. 基準面（リファレンスプレーン）という考え方

高速信号を理解する鍵は、信号線は単独では存在しないという事実である。

配線に電流が流れれば、必ず同じ大きさの電流が逆向きに戻ってくる。 その帰り道になるのが、配線のすぐ近くにあるベタ銅の面——基準面（リファレンスプレーン）である。 グラウンド面であることが多いが、電源面でもよい（交流的には同じこと。08 章で扱う）。

「配線」とは、信号線と基準面の 2 本で 1 組である.

片方だけ見て設計してはいけない。 信号線がどれだけきれいに引かれていても、その真下に基準面がなければ、 帰り道は遠回りを強いられ、大きなループができる。 ループはインダクタンスであり、アンテナである（19 章）。

だから層構成の第一原則は、 「速い信号を通す層の隣には、必ず連続した基準面を置く」である。

3. 典型的な層構成

2 層基板

2 層基板で最も多い失敗は、裏面を配線で切り刻んでしまうことである。 裏面がグラウンドベタとして連続していれば、表面の配線は真下に帰り道を持てる。 そこに配線を通してベタを分断すると、その部分の帰り道が消える。

2 層基板の鉄則: 裏面は「配線層」ではなく「基準面」である.

どうしても裏面に配線が必要なら、 ベタを横切る向きではなく、ベタの端に沿って引く。 そして横切ってしまった場合は、切れ目の両側をコンデンサでつなぐか、 切れ目をまたぐ信号を近くに集める（08 章）。

板厚 1.6 mm の 2 層基板では、L1 と L2 の間が 1.5 mm もある。 これは基準面が遠すぎるということで、 インピーダンスを 50 Ω にしようとすると線幅が 2.8 mm 必要になる（現実的でない）。 2 層基板でインピーダンス制御はしない、というのが実際の判断になる。

4 層基板 — 最も使われる構成

厚みの配分が重要である。標準的な 1.6 mm 板では次のようになる。

なぜ L1–L2 を薄くするのか.

理由は 3 つある。

1. インピーダンスが現実的な線幅で取れる。 誘電体厚 0.1 mm なら 50 Ω の線幅は約 0.18 mm。 厚 0.5 mm なら約 0.9 mm——太すぎて引けない（10 章）
2. リターン電流のループ面積が小さくなる。 放射も、インダクタンスも減る（19 章）
3. クロストークが減る。 基準面が近いほど、隣の配線への結合が減る（15 章）

逆に L2–L3 を厚くするのは、総厚 1.6 mm を守るための帳尻であり、 ここに機能はほとんどない（電源面とグラウンド面の容量は稼げるが、高い周波数では効かない。14 章）。

対称性にも意味がある。上下で層構成が非対称だと、 プレス時の熱と収縮の差で基板が反る。 「L1–L2 と L3–L4 を同じ厚みに、L2 と L3 の銅の残り具合も似せる」のが原則である。

6 層基板

配線層が足りない、あるいは高速信号を専用層に逃がしたいときに 6 層へ行く。 典型的な 2 案を挙げる。

案 B が SI（シグナルインテグリティ、信号の波形が壊れないこと）には有利である。 L1 と L6 の高速信号がそれぞれ隣接した GND を基準面として持ち、 L4–L5 の電源–GND ペアが薄ければ電源のインピーダンスも下がる。 一方で配線層が 3 層（L1、L3、L6）しかない。

案 A は配線層が 4 層あるが、L3 と L4 が向かい合っている。 この 2 層は互いに隣接した基準面を持たないので、 ここに高速信号を通すと帰り道が遠くなる。低速信号専用と割り切るなら成立する。

層を増やす順番は「配線層」ではなく「基準面」である.

「配線が入りきらないから 6 層に」という理由で層を増やすと、 増えた層が基準面のない層になり、SI が悪化することがある。 増やすなら GND 面ごと増やす——つまり 4 層の次は 6 層で、 そのうち少なくとも 1 層は新しい GND に使う。

4. 層構成を決める手順

1. 高速・敏感なネットを数える。 何本、どの層に通す必要があるか
2. それぞれに隣接基準面を割り当てる。 ここで必要な GND 面の数が決まる
3. 電源系統の数と電流を確認する。 面が要るか、太い配線で足りるか
4. 配線層の数を見積もる。 密度から概算（BGA なら「ピン列数 − 1」が目安）
5. 総厚と対称性を整える。 1.6 mm に収まるか、上下対称か
6. メーカの標準構成に当てはめる。 ← これが重要
7. インピーダンス計算（10 章）→ 線幅を確定

メーカの「標準スタックアップ」から選ぶのが最も安く、速く、確実である.

基板メーカは、よく使う層構成をあらかじめ材料の組み合わせとして持っている。 そこから選べば、追加費用なし・納期どおり・インピーダンスの実績値つきで作れる。

独自の厚み配分を指定すると、材料の手配から始まって納期が伸び、価格も上がる。 特別な理由がない限り、メーカの標準表から選ぶ。 ほとんどのメーカが、標準構成ごとの 50 Ω / 100 Ω 差動の推奨線幅まで公開している。

5. インピーダンス制御を発注するということ

「インピーダンス制御基板」として発注すると、メーカは 実物の基板の隅にテスト用のパターン（クーポン）を作り、実測して規格内かを保証する。

指定するのは「この層のこのネットクラス（CAD 上で同じ配線ルールを適用するネットのグループ）を 50 Ω シングルエンド、100 Ω 差動で」という要求であり、 線幅はメーカが決め直すのが普通である（自社の実際の材料厚と銅厚で計算するため）。 設計時に自分で計算した線幅は「見積り」であって、最終値ではない。

層構成を組み立てる

層数・各層の役割・誘電体厚を選ぶと、総厚・対称性・各配線層の基準面の有無、 そして代表的な線幅での特性インピーダンスが出る。 「L1–L2 を薄くすると何が良くなるか」を数字で確かめてほしい。

6. この章のまとめ