COMOSSはUSB4 GEN3 240W 1メートルの認証を取得、同軸ケーブルテストの共有

世界中のUSB Type Cケーブル製品メーカーから見ると、Type Cの一番の問題は長距離伝送時の速度と安定性の低下です。USB4 GEN3認証要件の伝送速度と安定性を達成し、また1メートルの長さ要件に適用するためには、ケーブル製造プロセスに同軸プロセスを導入して伝送品質を強化する必要があります。しかし、現在のUSB Type Cケーブルは主にツイストペア方式で製造されて、製品の高周波伝送特性がUSBインプリメンターズ・フォーラムの規格に達することができず、また240Wの高出力伝送においても電圧降下（Voltage drop）の問題が発生しやすいです。
 

USB4 GEN3に関しては、ツイストペアプロセス生産による信号損失のため、認証品質要件を満たせない問題がまだあります。コールドソルダリング、偽はんだなどの問題も効果的に回避できないため、同軸ケーブル製品の導入は当社にとって必然的なことです。
 

さらに、はんだ付けだけでなく、既存のワイヤーカット、ワイヤー分けなどのケーブル製造プロセスも、ますます厳しくなるUSB4 GEN3認証要件に対応するために改善する必要があります。
 

上記の問題を踏まえ、COMOSSによるUSB4認証の申請および同軸プロセスの実施は必然的なものとなっています。そのため、当社はUSBインプリメンターズ・フォーラムが認可した第三者機関であるAllionと協力し、USB4 GEN3 240W 1メートルのケーブルに関する認証を取得しました。
 

USB規格がUSB 3.2およびUSB4へアップデートされるにつれ、伝送用ケーブルの伝送周波数は10Gbps、20Gbpsへと向上しました。高伝送効率、低損失、および低放射影響を考えて、従来のツイストペア設計はもはや要求を満たすことができません。厳密な加工方法に加え、より多くのメーカーが同軸ケーブルを新世代のType-C伝送チャネルとして採用しています。
 

図1: 同軸ケーブル

 

正規の同軸ケーブルの構造は4層に分かれており、その中心から外側に向かって内部導体、絶縁層、シールド層、外被となっています。同軸マルチケーブルの外被は主に銅箔マイラーで構成され、編組層を加えることでダブルシールドとなり、各同軸ケーブルにより優れた干渉防止特性をもたらします。また、同軸ケーブルは接地（編組層）までの距離の制御が良好であるため、高周波伝送性能において、伝導関連の特性（損失、差動-コモンモード変換）またはクロストークの面でも優れた性能を発揮します。
 

図2: 同軸ケーブルの構造

 

ツイストペアに関して言えば、各銅線自体にはわずかなインダクタンスが存在します。さらに、2本の銅線が近接すると互いの間にキャパシタンス効果が生じます。特性インピーダンスの安定性（連続性）は、インダクタンスとキャパシタンス効果の分布（L0、C0）が均一で安定しているかどうかによって決まります。したがって、以下の関係式を参照すると、特性インピーダンスを決定する際にはツイストペアがコア直径（d）と固定絶縁層の誘電率（ε）の他に、線間の距離（D）をいかに制御するかが最も重要であることがわかります。

 

 

一方、同軸ケーブルは設計構造の関係上、内部導体と外部導体（D & d）の一貫性を制御することが比較的容易であるため、特性インピーダンスの制御はツイストペアよりも安定しています。連続的かつ均一な特性インピーダンスは、Sパラメータにおいて優れた性能を示します。 
 

設計においては、Type-Cケーブルアセンブリの特性インピーダンスにはすでにConnector Differential 85ohmとRaw Cable Differential 90ohmの差異があるため、各コンポーネントのインピーダンス制御にはより注意を払う必要があります。選択した材料の適合度が不十分であったり、過度の不連続面が生じたりすると、ILfit、IRLの不合格を引き起こし、さらにはIntegrated Crosstalkの性能に影響を及ぼす可能性があります。

ワイヤー引き出しの過程における絶縁層と編組層の被覆は、裸線の特性インピーダンスとチャネル特性の良し悪しを決定します。注目すべき点はAllionテストラボがいくつかの散発的な不良事例で、お客様のケーブル特性インピーダンスの基準値がUSBで規定されている90 Ohmから大きく逸脱していることを発見したことです。これにより信号が不適合チャネルで伝送されることになります。その結果、複数の高周波関連テスト項目で不合格を引き起こします。

認証過程において、時にはパドルカード設計メーカーと共にデバッグに参加するお客様に出会うことがあります。メーカーとレイアウト側は「自分たちが設計図通りにケーブルを製作したが、なぜ加工後に製品ラインで不合格が発生するのか」という疑問を抱いています。
 

この問題の原因はレイアウト側が注文を受け取った後、規格に設定されたインピーダンスの数値に従ってトレースとパッドの設計を行い、ケーブルメーカーが設計完了後にパドルカードを取得して裸線を実際にはんだ付け・接着したところ、元々設定された特性インピーダンスが加工後のキャパシタンス効果により下がり、逆にインピーダンスの不連続面が増加したことにあります（下図参照）。これはメーカーとレイアウト側が発注時に、その後の加工とその影響について議論していなかったことを意味します。正しいアプローチは加工後に生じる特性インピーダンスの差をあらかじめ見積もり、レイアウトに向けて特性インピーダンスの値を高めに設定して、加工後の製品の波形が許容範囲内に収まるようにすることです。
 

図3: はんだ付け前と後のパドルカードの違い

 

裸線の引き出し過程で生じる悪影響を除外すると、認証案件の不合格サンプルを分析する際、Allionは大多数の不合格の要因が加工過程で発生することを発見しました。一般的な不良の原因は主に3種類に分類されます。
 

 

一般的なはんだ付け不良には空はんだ、コア線の緩み、コア線の破損、はんだ付け位置のずれが大きすぎること、はんだ糸・はんだボール、またはフラックスの残留などがあり、これらはすべて特性不良を引き起こす可能性があります。例えば、コア線が緩んでいる場合、表面積の形状やはんだの付き方が制御しにくく、特性インピーダンスの安定性も不十分になります。また、はんだ付け位置のずれは信号間のパッチが小さくなり、クロストークに影響を与える可能性があります。さらに、はんだ糸やはんだボールの発生はクロストークの可能性を高めるだけでなく、スタブによる寄生キャパシタンス効果も引き起こします。これらはすべて、はんだ付け時に避けるべき問題です。

 

図4: はんだ付け不良の例
 

ケーブルの損傷はコア線の損傷または外被の損傷に分けられます。大量生産時に、はんだ付け工程では普通にホットバーはんだ付け機（Hot Bar Soldering Machine）が選択され、一部では高周波はんだ付け方式が使用されます。はんだ付け時には皮むきの力加減、ホットバーの移動ストローク、温度の調整に注意する必要があります。また、はんだ付け時には加熱時間や固定時に外被の変形や穴あきを引き起こす可能性にも注意が必要です。
 

量産前に裸線の各層の除去長さを定めておくべきです。裸線の特性インピーダンスは各物理層の材質と厚さによって共同で決定されるため、各層を除去する際には特性と後期量産時の加工のしやすさを考慮する必要があります。皮むき長さの定義が完了したら、裸線の前処理またはコネクタと組み立てて完成品ケーブルにする工程でも共通して定義を守るべきです。例えば皮むき長さの定義で各層の皮むき距離が1.5mmとされている場合、ワイヤー整理やはんだ付け時にもできる限りこれに適合させるべきで、加工のために外被やシールド長を変更することは避けてください。これらの変化は0.5mmの差でも最終的な高周波テストの結果に直接影響を与える可能性があります。
 

 

Type-CはFull-Featured基板側コネクタのみがUSB4 Gen3認証を受けることができ、他のすべてのUSB 3.2コネクタとプラグの認証過程には高周波テストが含まれていないため、メーカーが適切なコネクタを採用して製品を製造することは開発段階で非常に重要なステップとなります。
 

製品開発段階で、メーカーが直面する最初の問題は組み立てに適した材料をどのように選択するかです。完成品ケーブルの構成は主にコネクタ、パドルカード、ローケーブル（Raw Cable）に分かれます。USB Type Cを例にとると、USB-IFは規格の中で同軸/ツイストの参考損失（dB/m）を具体的に列挙しており、メーカーはこのような参考データを使用してサプライヤーの裸線を確認することができます。
 

表1:ツイストペアケーブルの損失例（出典:USB Type-C仕様R2.1）
 

表2：同軸ケーブルの損失例（出典：USB Type-C仕様R2.1）

 

組み立て時にはパドルカードのインピーダンス設計に注意するだけでなく、加工エリアで使用する接着剤の種類も定義する必要があります。接着剤の特性と量産時の加工の容易さ、含水量、硬化時間などを考慮する必要があります。ほとんどの製品ではUV樹脂（UV Resin）を使用していますが、これらの特性インピーダンスに影響を与える要因は、製品設計の初期段階でPCBレイアウトに関して考慮しておく必要があります。