高速PCBレイアウトのガイドライン：配置のヒントと戦略

不動産業界では、「立地、立地、立地」という言葉がよく使われます。興味深いことに、高速PCBレイアウトにおいても同じことが言えます。高速PCB設計プロセスのすべての側面が重要ですが、特に部品の配置は、簡単な配線、EMIの最小化、そして追加のレイヤーが不要になる可能性を高めるために特に重要です。標準的なPCB設計で問題なく機能する配置方法でも、高速設計の厳しい信号フロー要件を満たさない場合があります。設計が機能するためには、本当に「立地、立地、立地」がすべてです。

高速PCBレイアウトを作成する際に考慮すべきいくつかのヒントと戦略をここで紹介します。まず、高速設計における基本的な部品配置の考慮事項を見ていきます。次に、ボード上に部品を配置する前にフロアプランを作成する利点について説明します。最後に、そして決して重要性が劣るわけではありませんが、終端抵抗の配置について議論します。

高速PCBレイアウトにおける部品配置

PCBレイアウトは、多くの競合する目標を持つ難しいパズルのようなものです。しばしば、あるフォームファクターの制約や層数の目標を満たす必要があり、これらの制約やその他多くの要件を満たすように部品を配置する必要があります。

高速PCBレイアウトでは、部品は一般的に以下の方法で配置されるべきです：

1. 回路ブロックごとにグループ化する：まず、システム内で特定のタスクを実行するコンポーネントをまとめます。例えば、電力調整に関わるすべてのコンポーネントを一緒にグループ化するべきです。
2. 大きなプロセッサの周りにグループ化する：これらのコンポーネントは高いI/O数を持ち、グループ化された回路ブロックと直接インターフェースします。中央のプロセッサの周りに第一レベルの回路ブロックを配置し、その周りに下流のブロックを配置しようと試みてください。
3. ルーティングチャネルへのアクセスによってグループ化する：別のコンポーネント上の共通インターフェースにアクセスする必要がある一連のコンポーネントがある場合、これらのコンポーネントのピンが互いに向き合うように配置しようとしてください。これが常に可能というわけではありませんが、成功すれば内部層を通過したり、他のコンポーネントの周りを長いパスでルーティングする必要はありません。

下の画像では、レイアウトの最も右側に大きなMCUがあり、その周りにはピンがMCUを向いて配置された他のコンポーネントがグループ化されているのがわかります。左側にさらに進むと、コネクタ、LED、およびいくつかの受動部品などの二次コンポーネントが見えます。これらは大まかにMCUの一方の側面を向くように並べられています。これにより、MCUから左側のボード領域へ直接ルーティングすることが可能になります。

 
高速PCBレイアウトの例

回路の機能ブロックの配置を計画する際には、電源とグラウンドプレーンのニーズも考慮してください。通常、連続した電源プレーンの使用が好まれますが、設計のニーズにより複数の電圧用に分割された電源プレーンが必要な場合は、分割された部分をまたいで接続されたコンポーネントを配置する際に注意してください。高速伝送線は電源プレーンの分割を横切るべきではありません。それによって、これらの信号のリターンパスが途切れてしまいます。また、その回路の一部ではない他のコンポーネントを、その回路のコンポーネント間に配置することも避けてください。これもその回路のリターンパスに影響します。

部品配置における異なるコンポーネントブロック、コネクタ、その他の回路についてもう少し詳しく見てみましょう。

レイアウトのフロアプランニングによる配置準備

配置のためのフロアプランを作成することは、高速PCBレイアウトを準備する効果的な方法です。事前に計画することで、上述したようなコンポーネントのグループを考慮に入れることができ、設計の最後の段階で配置される際に驚くことがありません。

機能ブロック

電源、RF、デジタル、アナログなどの回路の機能ブロックは、信号の交差を最小限に抑えるために、グループとして整理して配置するべきです。事前配置フロアプランにより、機能ブロック間の信号フローがどのようなものか、そしてそれに最適な計画方法を把握できます。例えば、可能な限り低周波数のアナログを一緒にグループ化することで、高周波数または高速信号がアナログ回路の敏感な領域を横切る必要がなくなります。

EMIとコネクタ

高速動作するデバイスを基板の端に近づけて配置するのは避けるべきです。これは、基板の端が開いた空洞のように機能し、電磁放射が基板の端から漏れ出る可能性があるためで、これにより他のコンポーネントに影響を与える電磁干渉（EMI）が増加する可能性があります。

基板がデータや電力を必要とする任意のケーブルは、基板内のコネクタに到達する必要があり、これらはEMIを放射する可能性があります。そのため、コネクタと高速コンポーネント、高速デジタル機能ブロック、高周波アナログブロックを分離することが通常は良い考えです。ほとんどのガイドラインでは、EMIを設計で減らすために、コネクタを基板の端に近づけ、高速動作するデバイスを基板の中心に近づけて配置することが推奨されています。

PCIeカード用の高速エッジコネクタ。 

熱管理

高速設計の配置を考慮する別の側面は熱効果です。これは、高速レイアウトのガイドラインでは、デバイスが標準コンポーネントよりも高温で動作する可能性があると予想されるためです。熱いコンポーネントの配置が冷却されるようにするために、これらのコンポーネントが制限のない空気の流れを受け取るように配置を計画してください。例えば、熱いBGAへの空気の流れの方向に、コネクターのような背の高いコンポーネントを配置しないでください。

終端とインピーダンスマッチングネットワーク

最終的で最も具体的な配置戦略は、終端抵抗の配置場所を考慮することです。高速PCB設計では、コンポーネントのポートインピーダンスと一致させる必要があるインピーダンスに応じて、相互接続のソース端または受信端に終端を適用する必要がある場合があります。これらの抵抗は、回路の主要部分が既に配置された後に後付けで追加されることがよくあります。これらの抵抗は回路全体の一部であるため、正しく機能するためにはその配置が非常に重要です。

高速コンポーネントをどこに配置したいかにかかわらず、必要な終端抵抗のためのスペースをどこかに確保する必要があります。では、設計者は終端抵抗をどこに配置すべきであり、これが信号の挙動にどのような影響を与えるのでしょうか？まず、終端抵抗を直列に追加するのか、並列に追加するのかを考慮する必要があります。

並列終端（プルアップ、シャント、またはテブナン）

並列終端は通常、負荷コンポーネントが高入力インピーダンスを持つ場合に、伝送線の負荷端をグラウンドにシャントするために使用されます。時には、受信機に合わせて信号レベルを調整するためにプルアップ抵抗が使用されます。シャント抵抗とプルアップ抵抗は時々一緒に使用され、これをテブナン終端と呼び、受信機での信号レベルを調整し、負荷の入力インピーダンスを伝送線のインピーダンスに合わせます。設計でどの終端方法を使用すべきかを確認するために、コンポーネントのデータシートを確認してください。

この方式では、終端抵抗の一方を受信機に最も近い回路の端に配置し、もう一方を電源またはグランドプレーンに接続します。負荷ピンから抵抗までのトレース長が長くなるほど、回路は信号反射を起こしやすくなり、結果として信号劣化が生じます。これが、並列抵抗を受信機の負荷ピンにできるだけ近くに配置し、それらがビアを通じて電源/グランドプレーンに直接接続されるべき理由です。

直列終端

直列終端の目的は、ドライバーの出力インピーダンスを接続インピーダンスに等しく設定することです。この終端方式では、抵抗をドライバーの出力ピンに直接配置します。抵抗がドライバーの出力ピンに非常に近いため、ドライバーによって見られる入力インピーダンスは、伝送線の入力インピーダンスにほぼ等しくなります。

高ピン数コンポーネント、例えばBGAパッケージは、全てのドライバーピンに終端が必要とは限りません。特定のインターフェースにはオンダイ終端があるため、外部の終端抵抗が不要になる場合があります。シリーズ終端が必要なピンについては、終端を適用するためにコンポーネントの外側にある程度の空間が必要です。しかし、大規模デバイスに複数のシリーズ終端抵抗を配置すると、デバイス周辺の基板スペースを大量に消費します。これには、高速PCBレイアウトでトラックを削除して置き換えることなく、十分なスペースが利用可能であることを事前に計画する必要があります。

どのタイプの終端を適用する必要がある場合でも、終端するコンポーネントに近い場所に抵抗を配置してください。伝送線の中央に配置しないでください。この記事でこれらの終端方法についてもっと学びましょう。

Fan-in/Fanout

高速PCBレイアウトとルーティングにおいて、コンポーネントへの配線とその出口の配線は重要な部分です。クアッドパックのようなコンポーネントは、トレースが正しくサイズ設定されていれば、配線が容易です。理想的には、インピーダンスの仕様がある場合、パッドへの配線時に最小限のネックダウンで済むようにトレースをサイズ設定するべきです。インターフェースにインピーダンス要件がある場合、トレース幅がコンポーネント上のパッドサイズに一致するようにスタックアップを設計しようとするのが最善です。これができない場合、例えばコストの理由から、近くの銅プールとの共面ルーティングやネックダウンが必要になります。共面は通常非現実的なので、目標幅に合わせようとするのが最善です。

広いトレースから狭いピンへのネックダウン。

インピーダンス制御バスにおいては、クリティカルレングスを計算する必要があるため、ネックダウンを短く保つことを好みます。私の意見では、最良の方法は、50オームのトレース幅要件が既にパッドサイズへのトレース幅と一致するようにスタックアップを設計することです。これにより、ネックダウンが完全に排除される最良の結果が得られます。インピーダンス仕様がないバスでは、ルーティングが非常に長くなるか、ケーブルにルーティングする場合を除いて、心配する必要はありません。

BGAについてはどうでしょうか？BGAは、パッド間にトレースを配置するために、インピーダンス指定バスでネックダウンが時々必要なコンポーネントパッケージの一つです。BGAを使用して設計している場合、1mmピッチのBGAパッケージであっても、おそらく既に能力の限界を押し上げているでしょう。ピッチはパッドサイズの要件を生み出し、これがクリアランスを維持するためのトレース幅の要件を生み出します。

インピーダンス指定バスで要件に達するトレースを確実に打つためには、おそらくより薄いラミネート材料を使用する必要があります。インピーダンス指定インターフェースを持つBGAは、ピッチが小さくなると誘電体の厚さを小さく押し下げます。これをよりよく理解するために、この記事でBGAファンアウトについてもっと学ぶ。

フロアプランニングや私たちが話してきた他の戦略は、高速PCBレイアウトを作成する際に素晴らしいスタートを切るのに役立ちます。高速PCB設計ツールは、配置だけでなく、設計の多くの他の側面を支援することができます。プロフェッショナルなPCB設計ソフトウェア、例えばAltium Designer^®は、その仕事に適したツールを持っています。

Altiumがユーザーに提供するさまざまな高速レイアウトガイドラインと機能についてもっと知りたいですか？Altiumの専門家に相談してください。