PCBスタックアップの基礎

PCBの構築と比較して、スタックアップは各層の電気的なタイプにより関心があります。材料の厚さや使用される誘電体は、どの層が信号（SIG）層、グラウンド（GND）層、または電源（PWR）層として専用されているかということよりも重要ではありません。

信号層は主に信号を運ぶトレースを含んでいます（時にはルーティングされた電源や銅の注ぎ込みも含む）が、電源層とグラウンド層は通常、層全体にわたって完全に固体の銅の注ぎ込みです。グラウンド層は信号層の参照とそのリターンパスに使用され、電源層は特定の電圧の固体の連続した電源プレーン、またはさまざまな異なる電圧レベルのいくつかの島または銅の注ぎ込みです。

PCBをルーティングする前に、利用可能な層の数に依存するスタックアップを決定したいと思います。その後、層ごとに一つずつ進んで、グラウンド、電源、または信号を個々の層に割り当てたいと思います。

もちろん組み合わせも可能です—電源とグラウンド、信号とグラウンドまたは信号と電源を混ぜることができます。

グラウンド層

最も重要なレイヤーの一つは、グランドレイヤーです。このレイヤータイプは、主に信号（および電力）トレースのリターンパスの参照平面またはレイヤーとして使用されます。すべての前方向パスには、ループを完成させるためのリターンパスが必要です。

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パワーレイヤー

パワーレイヤーは電力分配用に使用されます。低速および低帯域幅のシステムではそれほど重要ではなく、信号レイヤー上のトレースで電力を配線できることを念頭に置いてください。しかし、高速回路の電力供給に関しては、パワープレーンとレイヤーがますます重要になります。さらに、密接に配置された隣接平面上のグランドレイヤーと組み合わせることで、これらは平行板キャパシタの一種を形成します。

信号レイヤー

最後に、信号の前方向パスを形成するためにトレースを配線する信号レイヤーがあります。前に見たように、リターンパスの参照としてグランドレイヤーや特定の場合にはパワーレイヤーを使用できます。

リターンパスと参照

さて、質問は、PCBでレイヤータイプをどのようにして理にかなった方法で割り当てるかということです。EMI性能、信号および電力の整合性に関して特定の目標があり、スタックアップを決定するための体系的なアプローチを望んでいます。異なるレイヤータイプをただ無作為に割り当てたくはありません。

いくつかの黄金律があります。まず第一に、数kHzの範囲のAC信号については、復帰経路は最短経路ではなく、トレース（前方経路）の直下の経路です。これが最もインピーダンスが低い部分です。例えば、トップシグナルレイヤー上のトレースと、その直下の第2レイヤーにあるグラウンドプレーンの場合、前方経路はシグナルレイヤー上にあり、復帰経路はそのトレースの直下にあるグラウンドプレーン内です。

もう一つ考慮すべきことは、信号エネルギーが銅（トレースとプレーン）の間の誘電体空間を流れるということです。したがって、銅は単に導波管です。良好な信号整合性とEMI性能を得るためには、信号エネルギーが流れる場所と、前方および復帰経路の間でどのように束縛されるか、両方の経路を考慮する必要があります。

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本質的に、信号とグラウンドプレーン、電力とグラウンドプレーンの間の密接な結合が望まれます。これは、場が広がるのを防ぐためです。私たちの主な目標は、場が広がるのを避けることです。なぜなら、場が広がると信号から信号への結合が生じ、これがクロストークにつながるからです。場が広がるということは、何らかの形の放射を意味し、これがEMIの問題につながります。

レイヤーとレイヤーペアの割り当て

場が広がるのをどのように避け、これらの場をどのように含めるのでしょうか？

私たちPCB設計エンジニアが心に留めておくべき主なことは、すべての前方信号または電力経路には、密接に結合された参照が必要であるということです。さらに、高速または高エネルギーの信号については、マイクロストリップトレースの代わりにストリップラインを使用することも理にかなっています。ストリップラインとは、信号トレースが2つのグラウンドプレーンの間に挟まれていることを意味し、信号から両側のグラウンドプレーンへの良好な場の結合を提供します。

以前に述べたように、もう一つ考慮すべき点は、隣接する電力とグラウンドプレーンです。これは、SMDキャパシタ（小さなパッケージのものでさえ）が高周波でインダクティブに見え始める場合に、高周波での電力供給を改善するためです。

本質的に、スタックアップを設計する際には、シグナル層または電源層のすぐ隣に最低1つのグラウンド参照層を持つというシンプルなルールに従えば、安全にスタートできるはずです。

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推奨される多層スタックアップ

最後に、以前に概説したガイドラインに従う私のお気に入りの多層スタックアップをいくつか紹介します。

4層（ルーティングされた電源）：SIG – GND – GND – SIG

6層：SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

8層：SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Rick Hartleyのビデオ

最後に、Rick Hartleyによるビデオを強くお勧めします。適切なグラウンディングを実現する方法と、レイヤースタックアップを正しく選択する方法についてです。ビデオでは、Rickがこの記事で概説された多くの原則について、より詳細に話しています。AltiumのYouTubeチャンネルでビデオをチェックしてください。