基板層スタックアップを高速基板設計する際の考慮事項

高速設計は、適切なPCBスタックアップで構築された場合にのみ可能です。スタックアップには、電源とGNDプレーンが正しく配置され、信号に十分なレイヤーが割り当てられ、適切な規模とコストで製造できる一連の材料と銅箔が選択されている必要があります。設計者がスタックアップを正しく設定できれば、シグナルインテグリティーが保証された配線がはるかに容易になり、より単純なEMI問題の多くは抑制または防止されます。

設計者が必要な配線とシグナルインテグリティーをサポートする高速スタックアップをより迅速に設計および構築できるよう、さまざまなクラスの高速スタックアップに関する重要なリソースをまとめました。 

レイヤー数の少ないスタックアップ

よりシンプルな高速PCBは、少なくとも4層基板でなければなりません。というのも、2層基板はシグナルインテグリティーやノイズ制御を保証できないため、インピーダンス制御された高速デジタルインターフェイスをサポートする設計には使用すべきではないからです。この点は、プロの設計者であれば誰もが認めるところでしょう。

高速信号をサポートする4層PCBスタックアップは、主に次の3種類に分けられます。これらのスタックアップの中で、オプション1は配線の柔軟性が最も高く、両面基板としても使用できるため、間違いなく最良の選択です。オプション2も両面配置に使用できますが、内部層でクロストークが発生する可能性があるため、信号を配線できる場所が制限されます。オプション3は、電力要件が高い場合に適していますが、高速信号を単一レイヤーにしか配線できません。パッシブまたはメカニクスは、バックレイヤーに配置できます。

• 両面PCBに最適な4層スタックアップオプションの詳細

内部レイヤーに低速信号を配置するなど、より多くの信号が必要な場合、次にすべきことは、オプション1をより高いレイヤー数に拡張することです。これには、上記のオプション1に示すスタックアップに専用の電源層と信号層が追加される少なくとも6層スタックアップが必要となります。このスタックアップは、以下の理由でおすすめします。

• 表面層は制御されたインピーダンスの高速インターフェースに適している
• 内部層はほとんどの低速インターフェースまたは制御信号をサポートできる
• 電源層を複数の大きなレールに分割して、さまざまなコア電圧レベルをサポートできる

同じ手順を使用して、スタックアップを高速信号で8層以上に拡張できます。このタイプのPCBスタックアップについては、次のセクションで説明します。

• 高速PCBをサポートする6層PCBスタックアップの詳細

適度なレイヤー数

ある時点で、基板スタックアップが非常に厚くなり、PCBの合計厚が基準値よりも大きくなる場合があります。製造の場合、これは問題にはなりません。標準的なラミネーションプレスプロセスでは、標準の厚さを超えた数mm厚のボードを処理できます。ただし、薄い基板を作るのが目的である場合は、より薄いレイヤーが必要になります。この場合、強化PTFEラミネート（以下で説明）またはHDI処理に直接移行することで対処できます。

中程度のレイヤー数の基板（約8層) では、複数のプレーン層が電源に割り当てられ、さらに信号層が追加される傾向があります。レイヤー数が中程度の基板の場合、EMIを抑制して電源の完全性を確保するのに役立ついくつかの簡単なガイドラインがあります。

• 信号がそのプレーン層を参照していない限り、電源プレーンを複数のレールに分割してもかまわない
• 複数の電源プレーンがある場合は、電源プレーンを隣接する層に積み重ねずGNDプレーンで分離する
• 2つのGNDプレーン間の内部層に高速信号を配置し、これらを分割された電源プレーンに参照しない
• 高速マイクロストリップ、必要な場合には電源配線やいくつかのGNDプレーンに表面層のみを使う

これらのガイドラインにより、設計にいくつかのレイヤーを追加する必要があるかもしれませんが、ノイズ制御、パワーインテグリティ、およびシグナルインテグリティーが大幅に向上するという利点があります。

より高度なスタックアップ

高速PCB設計では、「より高度な」という考えに多くの意味があります。高速デジタル設計では、レイヤーの選択と配置に関して以下の意味が考えられます。

• HDI配線をサポートする薄層
• 薄層の使用を強制する高層の数
• 複数層のファインピッチBGAへの配線（ただし、必ずしもHDIを使用する必要はない）

つまり、層数の少ないガラス強化FR4の非常に薄い信号層（4ミルなど）にすることも、層数を非常に多くすることもできます。その場合、薄層や代替材料を使用する必要があります。

これらのPCBの高速レイヤースタックアップ設計では、単にスタックアップのDk値やDf値ではなく、コンポーネントに必要な線幅と製造可能性も重視して考慮します。場合によっては、信号層に低Dk、低Dfラミネートが必要になりますが、それは単に損失が少ないという理由だけではありません。これらの設計では、製造可能性とシグナルインテグリティーが最も重要であり、薄いラミネートは、多数の層数や薄い信号層を使用した高速スタックアップにおける多くの課題に対応できる可能性があります。現在、最先端加工やHDI加工への移行を不要とする薄型基板の主な選択肢は、4ミル足らずの厚みで利用可能な強化PTFE積層板です。

• 先進的な高速PCB向けスタックアップ設計の詳細はこちら

その他のリソース

高速PCBにとって重要なスタックアップ設計の他の領域は、パワーインテグリティーとシグナルインテグリティーです。また、BGAパッケージのピッチが非常に細かい場合や、層が非常に薄くなる場合には、HDI設計に移行する必要もあるかもしれません。次のリソースを参照して、PCB設計のこのような重要な領域について詳細をご覧ください。

• 知っておきたい11のHDI材
• HDI基板用の2+N+2プリント基板スタックアップ設計
• 電子書籍: PDNシミュレーションおよび分析ガイド
• シグナルインテグリティーへのスタックアップ設計の影響

材料を指定し、スタックアップを構築し、インピーダンス計算を実行して高速PCBをサポートする必要がある場合は、Altium Designer^®のPCB設計ツールセットを使用してください。設計が完了し、ファイルを製造業者に送るときにAltium 365^™プラットフォームを使用すると、プロジェクトのコラボレーションおよび共有が容易になります。

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