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PCB ルーティングのヒント: BGA ファンアウトオプションをナビゲートします 1 min Thought Leadership PCB設計者

PCB設計者トムは会社で順調に昇進し、新しい副社長になりました。彼は一生懸命働き、関係を築き、会社についての知識を着実に構築してきました。残念ながら、トムはアクロニム病という深刻な病気にかかり、それが会社の重要部門に疫病のように広がりました。トムはどんなに努力しても、アクロニムを使わずにはいられませんでした。時には、彼の妻が彼が眠っている間にアクロニムで話しているのを聞くことがありました。残念ながら、アクロニム病の唯一知られている治療法は、1800年代半ばに旅行する詐欺師が販売していた、あいまいなエリクサーです。そのエリクサーは、見た目、一貫性、そして味が小川の水と同じでしたが、「CMRがTPSによって提供されるDERについて、FERC、NERC、RTOs、ISOsによって研究されている」と説明するあらゆる男性、女性、または子供を治すことができました。アクロニムは死なない — ただゆっくりと消えていくだけ PCBアセンブリの世界には、確かに略語の不足はありません。ボールグリッドアレイ（BGA）は、PCBデザイナーが集積回路への高密度接続を容易にルーティングできるようにします。表面実装技術（SMT）チップパッケージの下側が接続性を確立し、アレイの上側がフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、アプリケーション特定集積回路（ASIC）、マイクロコントローラ、100ピン以上を持つマイクロプロセッサなどの集積回路（IC）にとって使いやすいパッケージを提供します。パッケージの底部にグリッドパターンで配置された各ピンは、はんだのボールを持つパッドを持ち、これがプリント回路基板内の対応する銅パッドに電気的接続を作り出します。ボールグリッドアレイは、デバイス内のリード長が短いため、低リードインダクタンスを持っています。 BGAは、クアッドフラットパックスタイルのパッケージの下だけでなく、BGAパッケージの周りにも接続を可能にすることでスペースを節約します。SMT技術が改善されるにつれて、メーカーはより良い熱的および電気的特性を持つさまざまなタイプのボールグリッドアレイを生産しています： BGAタイプ BGA略語 BGAコンポーネント特性成形アレイプロセスボールグリッドアレイ MAPBGA 低コスト低～中性能デバイス低インダクタンス簡単な表面実装小さなフットプリントプラスチック・ボール・グリッド・アレイ PBGA 低コスト

ライブラリの部品作成と3Dモデルの関連付けによる無駄のない設計の実現 1 min Thought Leadership 競合他社のツールをご利用のユーザー

デザインの再利用：設計した基板を再利用するための手法とベストプラクティス 1 min Thought Leadership 自分の仕事に関係する情報を再利用するのは一般的なことです。シェフはレシピを、仕立て屋はパターンを、技術者は回路を再利用します。ただし、設計済みの基板や回路の再利用については問題があります。それは、設計ツールが役に立たない場合があることです。再利用の明白な利点は、時間とコストを節約できることです。また、機能することがわかっている修正済みの回路を使用できることも有益です。私は、自社製品向けに完全なシステム基板を設計する会社に勤めていたことがあります。新しい基板が必要になるたび、電源やファンのコントロールなどの機能に、他の基板で設計された回路を再利用していました。とはいえ、「回路の容易な再利用」という要求は、利用しているPCB設計ツールで対処できるほど単純なものとは限りません。デザインを適切に再利用しなかったために、粗悪な回路基板が出来上がってしまったのも見たことがあります。また、設計済みの回路を信用せずに、回り道をして回路を一から設計する技術者もいました。「再利用」という言葉にまつわるあるまじき問題は多々あります。身に覚えはないでしょうか? 例を見ていきましょう：すべての要素を把握することは困難長年にわたり、EDAでの設計の再利用とは、単にデータのコピーを使用することを意味していました。多くの場合、デザインの再利用に特化したツールを提供するソフトウェアベンダーは、再利用の機能に別途料金を請求していました。CADツールの贅沢な機能に対してコストをかけることを上司に説得するのは、大半の人がなんとか避けたいと願う気の重い仕事でしょう。そうなると、デザインを再利用するにはツール内でコピー＆ペーストの機能を使うしかありません。この方法では多くの場合、最終的にコピーされた機能をあまりコントロールすることはできません。また、回路の不要な要素が誤って含まれていたり、重要な詳細が完全に欠落していたりすることもあります。これまでは通常、コピー＆ペーストの機能は1つの設計に制限されていました。これは、新しい設計で回路を再作成したいときに極めて苛立たしいことです。また、設計システムによっては、デジグネータやネットの名前が複製されることもあります。そのため、行っている作業の内容を慎重に見直して、エラーがないことを確認する必要があります。コピー＆ペーストの機能は、「デザインの再利用」と言い換えることができるでしょう。多くのベンダーはそう捉えているものの、実際には深刻な問題が付随します。デザインを再利用できるツールによって時間とコストを削減できるのに設計を一からやり直す理由とは破損した要素の修正はさらに深刻な問題場合によっては、特定の設計ファイルをコピーして再利用のシステムを構築しようとする設計者もいます。つまり、コピーする回路はそれらのシートにのみ配置する必要があります。回路の一部を見逃す可能性もあるでしょう。また、破損したライブラリリンクを慎重に修正し、必要なデータ、システム、ライブラリのファイルをすべて確実にコピーする必要もあります。こうした再利用を実現するためには、設計者がシステム管理者にならなければいけないこともあるのです。複数のツールや設計環境で構成される設計システムを使用する場合には、さらに大きな問題が浮上します。こうしたケースでは設計を同期することが非常に難しく、最終的に多くの設計が破損し、作成し直すのに膨大な手動作業が必要になります。たくさんの設計チームはこうしたプロセスをなんとかやりくりしているものの、それは極めて困難な仕事です。そもそも、設計ツールがこの目的のために構築されていないからです。デザインの再利用に役立つスニペットツール Altium Designerを使って設計済みの基板を再利用することで問題を解消朗報は、デザインの再利用を容易にする Altium

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PCB設計における伝送線路遅延計算器 1 min Thought Leadership 伝送線路は、現代生活を可能にする、見かけによらず複雑なものの一つです。単なる金属ケーブルのように見えるものが、実際には精密に設計されたシステムです。PCB上のトレースも同様で、電子デバイスに電力を供給する血管のようなものです。では、伝送線路とは何でしょうか？この用語は、PCB上のトレースと民間の電力線との類似を示すために最初に採用されました。しかし、「伝送線路」という言葉は、あまり文脈を伴わずに使われがちです。PCB上の全てのトレースが伝送線路というわけではなく、伝送線路の設計ルールは場合によって重要になります。私のトレースは伝送線路ですか？「伝送線路」という用語は、PCB上のトレースの構造ではなく、振る舞いに関するものです。特定の条件下ではトレースが伝送線路として振る舞い、他の条件では単なる導体として振る舞うことがあります。トレースが伝送線路のように振る舞うかどうかは、信号がトレースを伝わるのにかかる時間によって決まります。この時間は、伝搬遅延、または伝送遅延と呼ばれ、これらの用語は互換性を持って使用されます。トレース内の遅延が、トレース上を移動するデジタル信号の立ち上がり時間よりもはるかに長い場合、そのトレースは伝送線として機能します。アナログ信号の場合、立ち上がり時間は信号の振動周期の4分の1とされます。どちらの場合も、トレースと両端のコンポーネントは、さまざまな信号整合性の問題を防ぐためにインピーダンスが一致している必要があります。電気伝送線オンライン伝送線計算機特定のインピーダンス値を持つようにトレースを設計する簡単で手っ取り早い方法が必要な場合、オンライン伝送線計算機を使用できます。このツールは、ユニット長さなど、マイクロストリップ、埋め込みマイクロストリップ、ストリップライントレースなど、異なる配置のトレースを説明するいくつかの重要なパラメータを計算できます。気づくことの一つは、ほとんどのオンライン伝送線計算機が、伝送線インピーダンスの周波数依存性を完全に無視していることです。実際には、周波数による効果があり、その効果はシステム内の抵抗、容量、インダクタンス、導電性によってより顕著になります。低周波数信号によって遭遇されるインピーダンスは、高周波数でのインピーダンスよりも周波数変化に対して敏感である傾向があります。オンラインの伝送線計算機は常に低周波数でのインピーダンスを探ることを許可しているわけではなく、一般的に高周波数で作業していると仮定します。非常に高い周波数、RFアプリケーションで使用されるような周波数では、この周波数依存性は一定値に飽和します。そのため、ほとんどのオンライン計算機は、この依存性を無視できるほど十分に高い周波数で作業していると仮定します。伝送線計算機からの重要な出力は、有効誘電率定数です。このパラメーターは、トレースの寸法と導体と基板の誘電率定数の対比に依存します。このパラメーターは、光ファイバー光学における有効屈折率と同じ役割を果たし、信号が伝送線をどれだけ速く伝播するかを決定します。ここでオンライン伝送線計算機も役立ちます。有効誘電率定数を得たら、それを使用してトレースのライン遅延を計算できます。ライン遅延を計算し、それを信号の立ち上がり時間と比較した後、トレースが実際に伝送線として振る舞っているかどうかの答えが得られます。計算機を使った電子設計 SPICEシミュレーションと伝送線 SPICEシミュレータは、特に高速、高周波、 HDI、低電流アプリケーションにおいて、PCBの信号整合性の問題を調査するのに役立ちます。すべてのSPICEシミュレーションが直接に伝送線のインピーダンス値を返すわけではありませんが、トレースとコンポーネント間のインピーダンスの不一致から生じる信号整合性の問題を診断することを可能にします。オンラインおよびデスクトップの設計ソフトウェアパッケージは、SPICEシミュレーションへのアクセスを提供します。すべてのPCBは、基板の誘電体によって金属要素が分離されるため、ある程度の寄生容量と寄生インダクタンスを持っています。SPICEシミュレーションを使用する際には、寄生インピーダンスの影響をモデル化するために、等価回路モデルに直列および並列の位置にキャパシタとインダクタを追加する必要があります。

PCBにおける銅のラップめっき 1 min Blog 新しい電子機器を購入して、1週間後に故障してしまうことは誰も望んでいません。私は同じフラットスクリーンモニターを5年以上使っていますが、これまでに所有した電子機器の中で最も頑丈なものです。信頼性の高い設計が好きなら、デバイスの寿命を向上させることを目的とした業界標準に注目していることでしょう。 PCBのビアメッキは、衝撃や熱サイクルに耐えられるほど信頼性が高くなければなりません。ここでメッキプロセスが重要となり、新しいIPC 6012Eのメッキ要件は、ビア・イン・パッド構造の信頼性を向上させるために設計されたメッキ技術を指定しています。銅ラップメッキ構造ビア・イン・パッド構造には、ビア穴を銅メッキして、多層PCBの層間で信号をルーティングする必要があります。このメッキは、ビア・イン・パッド構造内の他のパッドや、小さな環状リングを使用してトレースに直接接続します。これらの構造は不可欠ですが、繰り返しの熱サイクル下での信頼性の問題があることが知られています。 IPC 6012E基準は最近、ビア・イン・パッド構造に銅ラップめっきの要件を追加しました。充填された銅めっきはビア穴の端を回り込み、ビアパッドを取り囲む環状リングにまで延びるべきです。この要件はビアめっきの信頼性を向上させ、クラックや表面特徴とめっきされたビア穴との分離による故障の可能性を減少させる可能性があります。充填された銅ラップ構造は2つのバリエーションがあります。まず、ビアの内側に連続した銅膜が適用され、その後ビアの両端の上層と下層を覆い越えます。この銅ラップめっきはビアパッドとビアに繋がるトレースを形成し、連続した銅構造を作り出します。または、ビアはビアの両端を囲む独自のパッドを持つことができます。この別のパッド層はトレースやグラウンドプレーンに接続します。ビアを充填する銅めっきはこの外部パッドの上を覆い越え、充填めっきとビアパッドの間にバットジョイントを形成します。充填めっきとビアパッドの間にはある程度の結合が発生しますが、二つは融合せず、単一の連続した構造を形成しません。 PCBでのビア穴のドリリング熱サイクル下での信頼性 PCBが時間とともに熱サイクルを繰り返すと、体積膨張が銅のラップメッキ、ビア充填材、およびラミネート界面に圧縮または引張応力を生じさせます。応力の量は、基板と環境の間の温度勾配、関与する各材料の熱膨張係数、および基板の層数など、多くの要因に依存します。基板材料の熱膨張係数が一致しないことは、銅のラップメッキに大きな応力を与える原因となります。これにより、ビアバレル内のメッキが割れてバットジョイントから分離する可能性があります。連続する銅のラップメッキも、ビアの端で直角に割れることがあります。ビアの内部がバットジョイントから分離した場合、またはラップメッキの端でビアが割れた場合、ビアにオープン回路の故障が発生します。繰り返しの熱サイクル中に曲がると、さらに多くの故障が発生します。基板の最も外側の層に近い位置で終わるビアは、基板がこれらの層でより大きく曲がるため、熱サイクルによる破断の可能性がはるかに高くなります。これらの構造物での故障の可能性にもかかわらず、銅のラップメッキを使用しないビアよりも、銅のラップメッキを使用した方が依然として信頼性が高いです。この追加の銅のラップ層は、ビア壁内のメッキの構造的完全性を高めるだけでなく、ビアメッキと環状リングとの接触面積を増加させます。基板上の銅の可視性と安定性は価値があります。構造的完全性は、ラップメッキの上にボタンメッキを追加することでさらに高めることができます。一部のメーカーは原則としてこれを行います。ボタンメッキも、ラップメッキと同様に、ビアの上部と下部の端を覆います。その後、メッキ抵抗が剥がされ、ビアはエポキシで満たされ、最終的に表面は平滑化され、滑らかな表面が残ります。これは、IPC 6012E基準を満たしながら信頼性を最大化する最良の方法と言えるでしょう。 IPC 6012Eに準拠しためっきは、埋め込みビアが別々のレイヤースタックに分割されている限り、埋め込みビアにも簡単に適用できます。内層スタックは、スルーホールビアの場合と同様に、銅でラップすることができます。これらの内層にあるビアは、スルーホールビアと同じようにめっきすることができます。各分割されたスタックがめっきされた後、最終的なスタックアップはプリプレグを使用して配置することができます。

CADソフトウェアの選択：システムよりも回路を優先する 1 min Thought Leadership 競合他社のツールをご利用のユーザー

競合他社のツールをご利用のユーザー次に作成するPCBに最適なCADツールを選択することは、デバイスを構築するために必要な適応性を提供するソフトウェアパッケージを選ぶことについてです。異なる電子アプリケーションでは、異なるルーティング戦略や許容値、カスタマイズされた電子回路が必要になる場合があります。デバイスの要件を満たすための機能を提供するCADツールが必要です。CADツールは、運用要件を満たすことができるデバイスを構築する上で重要です。特殊なPCBは独自の電子回路を必要とし、特定のレイアウト要件を持っているため、CADツールはあらゆるタイプのPCBに適応できる必要があります。高速、高周波、多層、またはマルチボードデバイスを扱っている場合でも、アプリケーションに関係なく、CADおよび設計ツールは同じように機能するべきです。 PCB設計におけるCADツール PCBを設計する際、CADツールは回路をレイアウトするのに役立つ主要なツールです。設計段階でボードレイアウトに定義する必要がある多くのパラメータがあり、CADツールはこれを容易にしながらも、トレースやコンポーネントの正確な配置を可能にする必要があります。レイアウトの正確性は、特定のアプリケーションのPCB内で回路要素を接続する際に特に重要です。高速デバイス、高密度インターコネクトPCB、差動ペアルーティングは、信号が回路全体で同期され、信号の整合性が維持されるように、超高精度のトレースレイアウトを必要とします。PCB設計ソフトウェアには、どのようなアプリケーションにも適応できる超高精度のCADツールが常に含まれているべきです。すべての電子回路がICとしてきれいにパッケージされているわけではなく、デバイスに重要な機能を与える高度にカスタマイズされた回路は、PCB上に直接レイアウトする必要があります。操作が煩雑なCADツールを備えたPCB設計ソフトウェアパッケージを選択すると、レイアウトプロセスに過度の時間がかかり、回路内のコンポーネント間のルーティングが不正確になることがあります。古い格言「少ないほど良い」は、PCB CADツールには当てはまりません。 2Dおよび3D CADビュー問題の原因を理解する異なるPCB設計ソフトウェアプログラムは、異なる機能を持つCADツールを提供します。すべてのCADツールがトレースのルーティングや回路内のコンポーネントの配置を可能にしますが、各プログラムはCADツールの使用方法に独自のプロセスを実装しています。異なる設計プログラムは同等に作られておらず、すべてのプログラムがあらゆるアプリケーションに必要な高度なレイアウトおよびルーティング機能を含んでいるわけではありません。 CADプログラムのすべてが他の設計ツールと簡単に同期するわけではありません。たとえば、回路図とレイアウトツールが異なる動作をすることは珍しくありません。回路図とレイアウトのCADツールは、同じタスクを実行するために異なるコマンドセットを必要とすることがあります。これにより、初めてプログラムを使用する際の学習曲線がより困難になり、インターフェース間で移動するときにコマンドを再学習する必要が生じます。 CADツールと他の設計ツール間の統合が不足していると、ワークフローの制約がさらに増えるだけです。ほとんどの設計パッケージは、異なるモジュールやプログラム内で異なるツールを提供しており、各プログラムは回路を構築する際に独自の設計ワークフローを持っています。他のPCB設計パッケージは、さまざまな設計機能を単一のインターフェースに統合しようと試みますが、それぞれのツールセットは依然として異なるコマンドセットを使用し、類似のタスクに対して複数のプロセスを学習する必要があります。しかし、それだけではありません。一部のPCB設計プラットフォームは、これらの複雑なシステムに対して包括的なアプローチを取るのではなく、特定の設計側面にのみ焦点を当てます。設計ソフトウェアがコンポーネントとIC設計にのみ焦点を当てている場合、CADツールはPCBレイアウトに適応できず、その逆も同様です。特定のタスクを中心に設計ツールを構築することは、PCB設計ソフトウェアを作成する方法ではありません。回路設計のためのCADツールの使用特定のアプリケーション向けに設計された回路は、CADツールに異なる機能を要求します。高速設計では、正確な長さの許容誤差のマッチングとトレースの迂回が必要です。差動ペアルーティングでは、指定された間隔で平行にトレースを正確に配置する必要があります。マルチレイヤーボードの作業では、正確なビアの定義と配置、カスタマイズ可能なレイヤースタックアップが必要です。ほとんどの場合、これらの要素のインピーダンスマッチングが必要になり、その過程で正確な分析ツールを使用する必要があります。 CADツールは、各回路要素を高精度で配置できるようにするべきです。統合設計環境内で作業することで、レイアウトとルールチェック機能を単一のインターフェース内で統一し、一貫したワークフローを提供します。アプリケーションの重要な機能に必要な回路を設計することに集中でき、精度を犠牲にすることなく進めることができます。超高精度のレイアウトは、デバイスシミュレーションに容易に変換できるため、設計が操作中にどのように機能するかを確認できます。適応可能なCADツールは、特定のタスクを中心に構築されていません。代わりに、これらのツールは、コンポーネント設計、回路設計、またはコンポーネントのレイアウトなど、あらゆる設計タスクで機能するように設計されるべきです。設計プロセス全体に適応可能な単一のインターフェースとコマンドセットが必要です。 Altium でのマルチレイヤーボードでのインタラクティブルーティング

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