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多層PCB設計: 高電圧PCB向けの基板の製造 多層PCB設計: 高電圧PCB向けの基板の製造 1 min Thought Leadership 編集クレジット: Anton_Ivanov / Shutterstock.com オリジナル版の『 シュレック』は、私が大好きな映画の1つです。『 スター・ウォーズ』といったもう少し歴史のある作品と同じように、この映画に出てくる名言はマニアである友人や兄弟姉妹の間でお気に入りの言葉になっています。特に有名なのは、自分のような怪物は複雑な生き物だということをシュレックがドンキーに説明しているシーンでしょう。「玉ねぎにはいくつも層がある。怪物にもいくつも層がある。わかるかい？玉ねぎにも怪物にもたくさんの層があるんだ」ここでドンキーが指摘したのは、誰もが玉ねぎを好きだとは限らないものの、パフェを嫌いな人はいないということでした。人が層になっているものをどのくらい好むかという点で、私の友人はPCB設計のラボで、多層PCBがパフェと玉ねぎの中間にあると言いました。 その複雑性を踏まえると、私はよく多層PCBがパフェよりも玉ねぎに近いと感じます。多層PCBに苦手意識を持たないようにするのに役立つことの1つは、製造の方法やその工程で設計にどのような影響があるのかについて理解することです。高電圧設計の場合は、製造による影響について理解しておくことがさらに重要になります。 多層基板の製造方法とは PCB設計を製造業者に送った後は、最終的に完成基板にまとめて搭載されるそれぞれの層が個別に製造されます。銅箔トレースは撮像、エッチングされてからラミネート加工されます。これらの層は、非常に強力な液圧プレスで絶縁材を使って一緒に圧迫され、基板の最上層と最下層が加工されます。 中間層は、樹脂を浸透させたファイバーガラスである「 プリプレグ（prepreg）」（pre-impregnatedの短縮語）を使って製造されます。プリプレグに含まれる樹脂の割合は、液圧プレスによる基板の圧迫に影響を及ぼします。プリプレグの分量と粘性は用途に応じた最適なものにし、製造中に不具合が発生しないようにしなければなりません。これは、ケーキの最後の層のフロスティングとスポンジを用意することに似ています。 プリプレグに含まれる接着剤の割合が多過ぎると、圧迫時に層と層の間からはみ出してしまいます。おいしいフロスティングなら問題ないかもしれませんが、PCBの製造の場合はご想像どおり、厄介でまずいことになります。プリプレグが多過ぎて基板が厚くなると、電圧保護の計算がすべて台無しになってしまうのです。 PCB に含まれる樹脂はケーキのフロスティングのようなもの。分量を間違えると厄介なことになる。 樹脂について 一般的なPCBの場合、製造業者は低コストでボリュームのあるプリプレグ材を使用する確率が高くなりますが、こうした材料は樹脂の含有量が低く、ガラスが多く含まれます（ガラスは樹脂の浸透に影響を及ぼします）。高電圧の用途向けの場合は、 樹脂の割合が高いプリプレグを使って、層のプレス後に隙間が残らないようにしなければなりません。隙間によって絶縁層の効果的な誘電性が変化すると、やはり電圧保護の計画が台無しになってしまいます。 ここでの賢い方法は、1080や2113といった高電圧用のプリプレグを選択することです。こうしたプリプレグは、樹脂の含有量が高くて層が薄くなるため、隙間や微泡が残るのを防止してすべての層の密度を高くすることができます。層状になった食べ物で言うと、バクラヴァのようなフレーク状の層は、高電圧下での性能に 大きな影響を与えます。これらのプリプレグには含まれるガラスも少ないため、樹脂の浸透もよくなります。コストは上がるものの、その分だけ高電圧下での保護状態も向上します。 記事を読む
組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 組み込み型ソーラーシステム向けのPCB設計ガイドライン 1 min Thought Leadership 旅行から戻って来た直後に、もう一度旅行に出掛けたいと思ったことはありませんか? 私にはそんな経験があります。前回のビーチリゾートでの休暇が、雷雨が続いたせいで台無しになってしまったのです。旅行の計画を立てるときは、予測できない天気というものがいつもジレンマになります。アウトドアで過ごす予定があればなおのことでしょう。 屋外での使用が想定される組み込み型のソーラーシステムを設計する際、私はこれと同じ慎重な姿勢で取り組みようにしています。こうしたシステムは、安定した電力供給で稼働する組み込み型のシステムとは完全に異なる難題です。例によって、私は苦労の末に慎重になることを学びました。というのも、最初に手掛けたソーラー式の試作は、1日でも雨が降ると稼働しなくなってしまったからです。 組み込み型ソーラーシステムについては考慮すべき状況がたくさんあり、太陽光のない状態で何日も稼働するように計画しなければなりません。 組み込み型ソーラーシステムの設計で考慮すべき要素 1. ソーラーパネル 言うまでもなく、ソーラーシステムで最も重要なの要素はソーラーパネルです。これについては、多結晶や薄膜よりも効率がよく、暑い気候でも優れた性能を発揮する単結晶を選択したほうがよいでしょう。パネルの中には最大22%の 太陽光を電力に 変換できるものもあります。とはいえ、単結晶や多結晶の効率はサプライヤーによって異なるため、事前に詳細情報を確認しておきましょう。 2. 電池の容量 組み込み型のソーラーシステムで重要なパラメーターは、ソーラーパネルの性能が0%になった場合のシステムの持続性です。環境要因によっては、ソーラーパネルに数日や数週間、太陽光が届かない場合もあります。そこで必要になるのは十分な容量のある 電池 です。また、ソーラーパネルの充電率が電池の使用率を上回るようにしておく必要もあります。5時間かけて充電した電池が2時間で消耗してしまっては、とても効率的とは言えません。 3. 太陽光の照射 考え方によっては、ソーラー技術はいたって単純です。太陽光がなければ電力は生成されません。ただし必ずしも、8時間分の太陽光で8時間分の電力が生成されるわけではありません。「 太陽光ピーク時間 」という用語がありますが、これは太陽が空の最も高い位置にあって、ソーラーパネルが一番効率的になる時間帯を指します。こうした要素について認識し、太陽光ピーク時間を算出しておくことが望まれます。 記事を読む
設計の問題解決に役立つ最良のPCBレイアウトを見つける方法とは 設計の問題解決に役立つ最良のPCBレイアウトを見つける方法とは 1 min Thought Leadership アメリカ西部の賭博師は、勝負を決めるための切り札を袖口に忍ばせていた、という話をご存知でしょうか。あまり道徳的な例ではないものの、原理的には悪くありません。いつもポケットに切り札を入れておいて、必要なときに使えるとしたら素晴らしいことでしょう。設計者にとっては、これは日常生活だけでなく設計でも重要になります。 設計であれ、CADツールの機能であれ、製造に関する問題であれ、誰でもどこかの時点で助けが必要になります。問題に押し流されてしまうのは簡単ですが、そうなる必要はありません。設計者がポケットに忍ばせておける有用なリソースはオンラインでもオフラインでも見つかります。優秀な設計者がこれを実践している方法をいくつかご紹介しましょう。 同僚とのコミュニケーション これは当然のことのように思われるかもしれませんが、私たちは同僚の経験がいかに貴重なものかを忘れてしまうことがあります。助けを求めるのが恥ずかしいことではない、ということも覚えておきましょう。豊富な設計経験を持つ同業者の人脈を持っている場合は、これが特にあてはまります。私はずいぶん前にプライドを忘れることを覚えました。問題を解決しようとしているときには、邪魔以外の何物でもないからです。それ以来、問題にぶつかったときに頼れる同業者の人脈は着実に増えています。それに、私は友人や家族など、同業者以外の人たちにもためらわずに助けを求めます。解決策はすぐ目の前にあることもあります。つまり、あまりにも近くにありすぎて気付けないでいる場合です。私の配偶者はPCB設計のレイアウトについては何も知りませんが、設計関係の問題の解決を時々助けてくれます。話をじっくりと聞いて、私の考えが間違っていることを指摘してくれるのです。 一言で言うと、助けが必要なときは助けを求めることです。 回路図のレイアウトで問題にぶつかったら、同僚に相談する あなたを待っている膨大な量の情報 この記事をお読みになっているのですから、皆さんはworld wide webが設計に関する問題の答えを見つけるための素晴らしい情報源であることをご存知のはずでしょう。これを活用する秘訣は、探している答えが効率的に見つかるようにすることです。そのヒントをいくつかご紹介しましょう。 具体的な検索語句を使う: PCB設計の初心者であれ、何十年もの経験があるベテランであれ、他の設計者が経験したのと同じ問題にぶつかる可能性は大いにあるでしょう。運がよければ、その問題がオンラインで共有されていることもあります。問題を具体的に検索すれば、的を絞った情報を見つけて解決までの時間を短縮できます。 情報源について批判的に考える: オンラインで見つかる大量の情報は、吉と出ることも凶と出ることもあります。選べるリソースにはたくさんの種類があり、どれが最も効果的なのかは簡単にわかりません。 Web上のフォーラム: 多くの場合、Web上のフォーラムは特定の問題を解決するための有益なリソースというだけでなく、絶好の議論の場でもあります。問題をあらゆる角度から考えられるのはよいものの、偏った情報に遭遇することにもなります。これは、フォーラムに参加しているメンバーがそれぞれに違う経験をしていたり、異なる設計ツールを使っていたりするからでしょう。結論を言えば、必要な情報を手に入れたら、それについて少々調べてみる必要があるかもしれません。 ブログ記事とFAQ: メタ発言になってしまう危険があるため、これらについて深く掘り下げるのはやめておきますが、専門的なサイトで公開されているブログ記事やFAQは、開始地点として優れたリソースです。設計の問題に対する解決策を見つけるための正しい軌道に閲覧者を誘導することが意図されているため、うまくいけばさらに詳しい情報が手に入ります。一番重要なことですが、ブログの記事やFAQでは公開前に見直しを行うことで信頼性が確保されています。 ホワイトペーパー: このリスト内で最も徹底したリソースは、間違いなくホワイトペーパーでしょう。直面している問題によっては、完璧な解決策にも行き過ぎた情報にもなり得ます。調べるのに集中力が必要になるため、答えを入手できそうな注目すべきブログ記事や参考資料に遭遇できれば理想的でしょう。 記事を読む
3D PCB設計はなぜ必要なのか? 設計者にとってどう役立つのか? 3D PCB設計はなぜ必要なのか? 設計者にとってどう役立つのか? 1 min Thought Leadership 先日、幼い男の子を肩車しながらあやしている若い父親を見かけました。父親にしっかりと支えられた男の子は、父親の顔を別の角度から見ようとして体を横に動かそうとしています。愛くるしい男の子はようやく父親の顔を左側から覗きこむことができました。そして、父親の髪をもてあそんだかと思うと、また右側に体を戻したのです 。 そんな微笑ましい瞬間を楽しく観察していましたが、それと同時に重要なことを思い出しました。男の子は父親の顔をなんとかして違う角度から見ようと、何度も視点を変えました。PCB設計者の私たちも同じように、設計をできるだけ多くの視点から確認したいと考えます。これまでは2DのCAD環境で作業するしかありませんでしたが、現在は3Dの設計環境が利用できるようになってきました。こうしたツールを使って設計を進めない手はないでしょう。 PCB設計を3D環境で進めることには多くの利点がある 3Dの利点と従来の2Dでの設計 私は、ディスプレイ装置を作っている会社でPCB設計者としてのキャリアをスタートさせました。当時はUNIXベースのCADシステムを使っていましたが、作業は2D環境に制限されていました。私が初めて手掛けた設計は、機構CADグループが3Dでレンダリングしてくれました。それは、ブロックの形状だけが表示されている単純なものでしたが、3Dで見る設計には目を見張りました。そんな風に設計を見たのは初めてのことでしたが、今でもその瞬間をはっきりと覚えています。3D環境での作業には、PCB設計者にとってたくさんの利点があります。その一部をご紹介しましょう。 3Dコンポーネントフットプリント: 3Dで表示された設計を初めて見たとき、装置のケースから大きな電解コンデンサーが飛び出していることに気付きました。これはDRCで検出されるはずのものでしたが、どういうわけかチェックをパスしていたのです。そのため、装置の後端が犬の尻尾のように垂れているのを見たときは本当に驚きました。現在のCADシステムでは、こうした問題を検出するためのDRCが標準的な機能になっています。3Dでの作業が可能な今であれば、コンポーネントの寸法についてのフィードバックもリアルタイムで入手できます。 レイヤー構造の可視化: 回路基板のレイヤー構造を3Dで正確に表示できるのは非常に有益です。画像を傾けたり、回転させたり、パンやズームを行ったりして、ビアスタックの状態や周辺の他のオブジェクトとの接続などを正確に確認できます。 3Dでの編集機能: デザインの3D表示は容易で、3Dモードではレイアウトの編集も可能です。回路基板のスタックアップの昇順や降順をインタラクティブに切り替えて、部品の移動、配線の押しのけ、別のレイヤでの配線を行うことができます。 MCADとECADの連携: 3D CADシステムでは、装置のケースなどの設計に メカニカルオブジェクトを追加 することもできます。この機能を活用すれば、ケースに関連する3Dのコンポーネントや他のメカニカルオブジェクトを表示して、これらの要素を対象とする3Dクリアランスチェックを実行できます。 フレキシブル回路 : 3D環境での作業のもう1つの利点は、 記事を読む
複数のデザイン構成にPCB実装バリアントを使用すべき理由 複数のデザイン構成にPCB実装バリアントを使用すべき理由 1 min Thought Leadership 何年も前、筆者は既存の基板からコピーしたデザインを扱っていましたが、問題が1つありました。レイアウト上のいくつかの回路が、技術者が作成した回路図の回路と一致しませんでした。これによって多くの混乱が生じました。最終的には、設計が承認されて製造部門に送られた後で基板に加えられた編集が問題だったことが判明しました。実装バリアントを作成したことで、回路図との同期が失われたと同時に、基板に不用意な変更が行われたのです。手作業で実装バリアントを管理しようとした場合、このような問題が忍び寄ってくる可能性があります。これにより、設計が遅れたり、さらに悪いことには、発覚していないエラーのため不良基板が製造されるかもしれません。 PCB実装バリアントとその必要性 同じ基板を、複数用途のため、実装時に異なる構成にできるよう回路基板を設計することは一般的です。これらの異なる構成は実装バリアントとして知られています。例えば、異なる電圧で動作させることができるよう電源供給を設計するケースがあります。どの部品を使用するか、使用しないか、あるいは変更するかを変えることで、実装時に異なるバージョンの電源供給基板を作成する方法が決まります。 実装バリアント用の回路基板を設計する場合、金属の電気回路構成要素（パッド、トレース、領域フィルなど）が、提案された全ての構成で機能するようレイアウトされることが重要です。このように、異なる構成が全て、未加工の同一基板設計から作成可能です。これにより、設計者の作業負荷を減らすだけでなく、基板製造と在庫の費用を減らすことができます。 各PCB実装バリアントにはドキュメントが必要です 手作業による実装バリアントの作成とドキュメント化 従来、PCB設計者は、複数のバリアントを扱う場合、各基板の実装構成に対応するため、別々のデザイン データベースを作成する必要がありました 。 これは、各実装に専用のドキュメントが必要だからです。 ただし、この方法でも設計エラーが生じる可能性がありました。 各デザイン データベースは、未加工の基板設計を含んでいるので、全てのバリアント データベースにコピーされます。未加工の基板設計のマスターコピーを1つ持つことは優れた設計慣習ですが、そのマスターコピーが各バリアントのコピーに含まれる場合は問題が生じる可能性があります。これは、たとえ偶然でも、未加工の設計がいずれかのバリアントコピーで変更された場合、未加工の基板設計の異なるコピーが作成されることになります。こうなると、どれが正しいマスターコピーか分らなくなる可能性があります。未加工の基板が全ての異なる実装バリアントの基本デザインである場合、これは問題です。何年も前に経験済みですが、変更の結果、回路図とのリンクが切断された場合、状況はさらに悪化します。 最終的には、これらの潜在的な問題と、同じデザイン データベースでの複数コピーの管理は、作業負荷を増やします。未加工の基板が意図的に変更されるたびに、各バリアント データベースに編集内容をコピーする必要があります。これは、時間のかかる作業であり、データベース間でデザインの一貫性を確実に保つために高い集中力が求められます。 PCB実装バリアントにより、同じ基板を異なる用途のために構成できます。 バリアント管理ツールによるプロセスの簡素化 CADアプリケーションのバリアント管理ツールは、1つの基本データベース内で全ての作業を行えるようにすることで、異なる実装バリアントの作成と管理のプロセスを簡素化します。バリアントを作成する際、特定部品を使用する、使用しない、あるいは値を変更するなどを指定することができます。また、バリアント管理ツールにより、実装図面などの出力や部品表を変更して、変更された部品の状態を反映できます。 記事を読む
PCB製造でのシルクスクリーンに関する問題の発生を防止するには PCB製造でのシルクスクリーンに関する問題の発生を防止するには 1 min Blog 1996年のオリンピックをご覧になっていれば、最後まで奮闘したケリー・ストラグ選手のことを覚えていらっしゃる方もいるでしょう。ストラグ選手は足首を痛めた状態で最後となる2回目の跳馬を跳び、アメリカチームに金メダルをもたらしました。彼女が教えてくれたのは、最後までやり抜くことの大切さでしょう。とはいえ、私たちはそれが回路基板設計となると、プロジェクトの最後には気が緩んで油断してしまいがちです。デザインを製造にリリースする前の最後の作業の１つは、基板のシルクスクリーンとデジグネータを調整することです。しかし、この手順が他の設計作業ほど真剣にとらえられていないことは多々あります。その結果、製造業者によってデザインが却下され、修正するよう送り返されてくるケースもあります。今回は、PCBのシルクスクリーンに潜在するいくつかの問題とそれらを回避する方法について見ていきましょう。 ケリー・ストラグ選手のように最後までやり抜く PCBのシルクスクリーンに潜在する問題とは 皆さんのなかには、「問題など起こりようがない」とお考えの方がいらっしゃるかもしれませんが、デザインをリリースする前にシルクスクリーンの最終調整をしなかったことが原因で発生する問題をいくつかご紹介しましょう。 コンポーネントが正しく表示されていない : 意図するコンポーネントがシルクスクリーンで正確に表示されていないと、デバッグや修正を担当する基板技術者の混乱を招く可能性があります。たとえば、関連するコンポーネントが正しく表示されていない形状、誤ったピンの数、誤ったピンに表示されている極性指示がこれにあたります。キャップのプラス側をチェックしたときに、極性指示が逆になっていることを知った技術者がどのような不安を感じるのかについては、皆さんも想像がつくでしょう。 テキストが判読できない : シルクスクリーンのテキストが判読できない場合、基板技術者はデジグネータの確認に余計な時間を費やさなければなりません。多くの場合、これは小さすぎて判読できないフォントサイズや誤った線幅を使用していることが原因です。線幅が小さすぎると基板にうまくスクリーン印刷ができず、逆に線幅が大きすぎると膨張してしまい、同じく判読不能になります。 デジグネータが誤ったコンポーネントに配置されている : デジグネータが誤ったコンポーネントに配置されている場合があります。これは、コンポーネントを移動したもののデジグネータが移動されていない場合に発生したか、設計者側の誤りの可能性があります。いずれにしても、基板のテストを実施する基板技術者は、回路図にあるコンポーネントと一致しないものをチェックすることになります。 実装するコンポーネントでデジグネータが覆われている : 実装する部品の下に配置されているデジグネータは、これまでに嫌というほど見てきました。密集したデザインでは避けられない場合があるものの、なんとかして阻止しなければなりません。デジグネータが見えない状態で「C143」を必死に探している基板技術者の姿を想像してみてください。 シルクスクリーンのインクが金属を覆っている、または穴に流入している : シルクスクリーンのインク が表面実装ピンやメッキされたスルーホールなどの露出金属 記事を読む