ガラスクロスが信号品質に与える影響：基板は均質ではない

FR-4 は織物に樹脂を染み込ませたもの

FR-4 の絶縁層は、ガラス繊維を織ったクロスにエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグです。ガラス（E ガラス）の比誘電率は 6 前後、エポキシ樹脂は 3 前後で、体積比の平均が「εr = 4.2〜4.5」です。

問題は、その平均値が基板のどこでも同じではないことです。クロスはガラス束（ヤーン）を縦横に織ったもので、束の間（窓）は樹脂だけです。束の上では εr が高く（遅い）、窓の上では低く（速い）なります。織りピッチはスタイルで決まります。

どのスタイルも束のピッチは 0.4〜0.8mm です。50Ω の線幅は 0.1〜0.35mm、差動ペアのピッチは 0.3〜0.6mm なので、配線とクロスはほぼ同じスケールで、束の上か窓の上かは偶然です。

束の上と窓の上で、速度が数 % 違う

配線の直下の実効 εr は、束の上で高く窓の上で低くなります。窓の広い 1080 や 106 では、実効 εr で 0.3〜0.6（4.0 に対して 8〜15%）の差が報告されています。伝搬遅延は √εr に比例するので遅延の差は 4〜7%で、6.5ps/mm なら 0.25〜0.45ps/mm、100mm で 25〜45ps です。

特性インピーダンスも ±2〜4Ω 程度変わりますが、反射は数十 GHz の領域で、通常のデジタル信号では無視できます。

1 本だけなら問題になりません。クロックとデータが同じ基板を通れば相殺されます。問題は 2 本の間の差です。

差動ペアの片側だけが束に乗ると、スキューになる

差動ペアはピッチ 0.3〜0.6mm で 2 本を平行に引くので、束ピッチ 0.4〜0.5mm と近く、片方が束の上、もう片方が窓の上をずっと平行に走ることが起きます。このとき遅延差がそのままペア内スキューになります。

100mm で 30ps のスキューなら、5Gbps（1 ビット 200ps）で 15% と許容範囲、10Gbps（100ps）で 30% とアイが閉じ、PCIe Gen4（16GT/s、62.5ps）では 1 ビットの半分です。

スキューの害は、差動信号の一部がコモンモードに変わること（受信側の振幅が減り、EMI にもなる）と、エッジがなまることです。

やっかいなのは製造ロットごとに違うことです。位置関係はパネル上の置き場所で変わり、試作で問題なくても量産で当たりはずれが出ます。

対策：束と平行に走らせない

対策の基本は、2 本が同じ条件を通るか、1 本の中で束と窓を平均させることです。

配線に角度をつける。束に対して 10° 以上傾けると、配線が束と窓を交互に通って平均化され、ペアの 2 本も同じ平均を見ます。基板ごと 10〜15° 回転して製造してもらう（取り数が減り費用が上がる）か、配線をジグザグに引く（面積を食う）かです。

開繊クロス（スプレッドグラス）を使う。束を平らに広げて窓をなくしたクロス（1078、1067、3313 の開繊品など）は、εr の場所ごとの差が小さくなります。追加費用はわずかで、10Gbps 級では標準になりつつあります。

薄いクロスを 2 枚重ねる。2116 1 枚の代わりに 1080 を 2 枚重ねると、織りがずれて平均化されます。

ペアのピッチを束のピッチに合わせる。片方が束の上ならもう片方も束の上に来ます（クロスの種類に依存し、層構成の確定後に使える）。

低 Dk ガラス。NE ガラスなど εr の低いガラス（4.4 前後）は樹脂との差が小さく、ウィーブ効果自体が小さくなります。25Gbps 以上で低損失材と組み合わせて使われます。

どこから気にするか

スキューが 1 ビットの 10% を超えると影響が見え始めるとして、最悪 0.5ps/mm で計算すると、許容配線長は 1 ビット時間 [ps] × 0.2mm です。5Gbps で 40mm、10Gbps で 20mm、16GT/s で 12mm で、これより長ければ対策を入れるか、受信側のスキュー補償（多くの SerDes が持つ）に頼ります。

逆に、USB 2.0（480Mbps、2ns）、1Gbps Ethernet、DDR3 のような信号は、100mm でも 1 ビットの 2〜5% にしかならず、気にする必要はありません。「差動ペアは全部角度をつける」は、速度に見合うかを先に確かめてください。

パターン長→遅延時間で出した遅延の 5% が、最悪スキューの目安です。