EMC向上のための6層PCBスタックアップの設計

6層のPCBは、高いネット数と小さいサイズを持つ様々なアプリケーションにとって、経済的で人気のあるスタックアップです。大きなボードは、4層のスタックアップで十分機能することがあり、信号層を犠牲にしてボードの各側間の隔離を確保できます。適切な6層スタックアップを使用すると、異なる層間のEMIを抑制し、高いネット数を持つファインピッチコンポーネントを収容できます。しかし、4層または8層のスタックアップを使用する方が理にかなっている場合もあり、この判断をするためには、ボード内のプレーン層の機能を理解することが役立ちます。

電源、グラウンド、信号プレーンはいくつ必要ですか？

この質問への答えは非常に重要であり、実際にはボードのアプリケーションに大きく依存します。限られたスペースで密度の高いボードをルーティングしているが、すべてが低速またはDCの場合、2つのプレーン層と4つの信号層で十分なことがよくあります。しかし、その場合、創造的なレイアウトとルーティングで層数を4層に減らすことがよくあります。

EMIへの感受性を大幅に減らす必要がある場合、代替のスタックアップを使用し、より多くの電源/グラウンド層と少ない信号層を選択するべきです。これがデジタルボードまたは混合信号ボードである場合、信号を平面層に対して配置し、密接に配置された電源/グラウンド平面ペアを使用することで、EMI問題を引き起こすことなくボード全体に自由にルーティングするための柔軟性を得ることができます。シールド缶のような不格好な解決策を必要とせずに、ボードの周りにさらにグラウンドを追加することも、大きな遮蔽効果をもたらすことができます。

デジタル信号とアナログ信号を混合する場合、高周波と低周波の信号を混合する場合、またはこれらのすべての組み合わせの場合でも、6層PCBスタックアップの創造的な使用が可能です。ある時点で、より大きなボードやスタック内の層を増やす（またはその両方！）必要があるかもしれません。6層PCBスタックアップのための多くの信号/平面層の組み合わせがありますが、以下にいくつかの一般的なものを示します。

6層PCBスタックアップの例

これを念頭に置いて、いくつかの6層PCBスタックアップの例を見てみましょう：

信号+電源/グランド/2信号層/グランド/信号+電源

この6層PCBスタックアップの例は、内部層の低速トレースを外層のトレースから遮蔽する人気のあるエントリーレベルのオプションです。また、固体平面への密接な結合もあります。信号は、直交している限り、低周波数/遅い切り替え速度で、または内部層を通してルーティングできます。私は、互いおよび内層の低速/周波数トレースからそれらを遮蔽するために、高速デジタルおよび/またはアナログ信号を外層にルーティングするでしょう。以下に例を示します。

これについては、アナログとデジタルを内層で混在させないでください。ただし、ボードの異なる領域にそれらを分離できる場合を除きます。しかし、デジタルとアナログのセクション間に分離が必要なその種の状況では、内部平面を持つ4層スタックアップで何とかなるかもしれませんし、創造的なレイアウト/ルーティングを行うか、または4層で好まれるSIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRの配置を使用できます（ガイドラインについてはこちらを参照）。

このタイプのスタックアップでは、レイヤー2を電源プレーンレイヤーにしないでください、また、L3+L4で平行にブロードサイド結合ペアを試みないでください。代わりに、信号レイヤー上でPWRをルーティングします。これに伴う主な問題は、電源とグラウンドプレーンレイヤー間のインタープレーン容量の欠如と、L1からL5への高インダクタンスのリターンパスです。これらのプレーンレイヤーが分離されているため、L1上の信号の予測不可能なリターンパスを補償するために、より多くのデキャップとグラウンドリターンビアが必要になります。この理由から、これらのボードは、正確なリターンパスの予測と追跡を必要としない電力またはDCシステムでのみ使用すべきでしょう。

信号/GND/PWR/GND/信号/GND

この6層PCBスタックアップの例は、高速信号に多くのデカップリングを提供する必要があるが、信号用に3層分の密度が必要でない基板にとって良い非対称スタックアップです。一つの例は、高速（L1）と低速（L5）の信号の混在で、これらは互いに隔離され、密接に配置されたPWR+GNDプレーンペアが高速電力整合性をサポートするための高いデカップリングを提供します。内部信号層は、2つのグラウンドプレーンの間に封入されるため、表面信号層から遮蔽されます。また、固体導体が効果的な遮蔽を提供するため、内部信号層がEMIの干渉を受けるのを抑制するのにも役立ちます。電源とグラウンドプレーンは、高速デジタルデバイスのための効果的なデカップリングを提供するために、おそらく密接に配置されるでしょう。

このスタックアップの主な問題点は、下層のグラウンドを切り取って部品を配置するスペースを作らない限り、上層にのみ簡単に部品を配置できることです。つまり、基本的には片面基板を構築していることになります。これは製造にとって高価な提案であり、内部信号層へのビアを配置するために多くのドリリングが必要になります。これは、4層または8層のPCBスタックアップの利点を強調しています。8層スタックアップでは、内部層に隣接する電源/グラウンドの同様の配置を作成しながら、内部ルーティングや下層の部品/ルーティングも収容できます。

信号/グラウンド/電源/信号/グラウンド/信号

これは、追加の信号層を提供する前のボードのバリエーションです。これは、外層でインピーダンス制御が必要な、中程度のI/Oカウントデジタルシステムを扱っている場合の良い出発点です。例えば、私たちはこのスタックアップを、Gbps以上のデータレートで動作するネットワークスイッチや混合信号ボードに使用しています。欠点は、前のスタックアップと比較してPWRとGNDの間の結合が低いことです。低いPWR/GND結合は、デカップリングキャパシタのバンクで補われます。その後、L4はPWRを基準とした低速信号に使用でき、これによりL2のGNDに直接結合することになります。

GND/Signal/PWR/GND/Signal/GND

もしもあなたの基板が電気的に騒がしい環境で使用される予定であるか、または強い放射線の源の近くに配置される場合、このスタックアップは優れたEMI抑制を提供します。慎重に間隔を置いたステッチングビアを追加することで、ある高周波数（通常はGHz範囲まで）までのシールドを提供することができます。欠点は、信号層が2層しかないため、信号をルーティングするための基板スペースが限られることです。また、信号層間や表面層へのルーティング時には、PWR平面をビアで切り分けることになります。それを踏まえても、積層導電層の間に信号層を配置することは、EMCの観点から良い選択です。

このレイヤースタックは、もう一つそれほど明らかではない利点を提供します：より良い熱管理。これらの基板は高電流の電力システム用ではありませんが、信号層の両側および内部層にある導体は、熱を基板の端や表面に輸送し、そこで受動的または能動的冷却によって放散するのに役立ちます。金属コア基板やセラミックと同じレベルの熱放散は得られませんが、EMI抑制を助けるための複数の平面の利点があります。

複数の層間でのルーティングに関する注意

よく、複数の層を通るビアのルーティングについて話しますが、これを行うと回路のループ領域を増加させるリターンパスの不連続性が生じる可能性があります。この場合、層間の寄生容量がいくらかの放電を提供し、信号ビアの近くにリターン電流を誘導する必要があります。残念ながら、通常、容量は信頼性の高い低インピーダンスのリターンパスを提供するには小さすぎます。このため、リターンパスは、最も近いデカップリングキャパシタや、複数の層におけるグラウンド領域を接続するために使用するビアに現れることになりますが、これらはすべて信号ビアから遠く離れている可能性があります。結果として、非常に大きなリターンパスが生じ、大きなループインダクタンスが発生し、これが新たなEMC問題を引き起こすことになります。

その結果、リターンパスの欠如によるEMIを排除する方法として、一般的に2つのオプションが挙げられます：

1. 信号ビアと並列にデカップリングキャパシタを配置して、リターンパスを提供します
2. 信号ビアと並列に接地ビアまたは接地ビアのペアを配置して、リターンパスを提供します

私の意見では、より良い選択肢は、2つの基準平面が同じ電位にある限り、信号ビアの横に1つまたは2つの接地ビアを配置することです。これにより、基準平面への結合を断つことなく、低インダクタンスのリターンパスが提供されます。リターンパスを提供する必要性は、設計者がレイアウトが完成したら、接地ステッチングビアでどこでも埋め尽くすかもしれない理由の1つです。ステッチングビアを使用する場合は、この記事を読むことを確認してください。

EMI抑制を提供するために6層スタックアップを使用する他のユースケース、特にIoT製品に関しては、Ken Wyattの最近のAltiumLive 2022のプレゼンテーションをご覧ください。

あなたのPCB設計パッケージには、スタックアップを一から設計するために必要なツールが含まれているべきです。Altiumを使用すると、レイヤー配置、材料定数、および寸法を完全に制御できます。さらに、レイヤースタックマネージャーを使用して、リジッドフレックスおよびマルチボードシステムを簡単に作成できます。これらの設計ツールは、単一のプログラム内の回路図設計、レイアウト、および成果物生成ツールと直接統合されます。

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