PCB設計

マルチCADサポートにより、レガシー製品設計の管理が容易になります。長い製品ライフサイクルにわたって、さまざまなCAD形式の設計データにアクセスし、共同作業を行い、データを維持します。

はじめに ワイヤーボンディングは、半導体ダイをパッケージリードフレームや回路基板に接続するための主要な方法として長らく支配的であり、特にチップ・オン・ボード（COB）技術では、ダイが直接PCB上に搭載される場合に多く用いられています。ワイヤーボンディングによるCOBは、その信頼性と大量生産におけるコスト効率の高さから、電卓や初期のデジタルデバイスなどの消費電子製品で人気を博しました。 時間が経つにつれて、ワイヤーボンディングCOBは、小型化と高性能化の要求に応えるために進化し、パワーLED、イメージセンサー、パワーエレクトロニクス、高性能コンピューティングなどのアプリケーションで重要な技術となりました。今日では、ワイヤーボンディングはマイクロエレクトロニクス業界における第一レベルの接続の75-80％を占め、コンパクトで高性能な設計において信頼性の高い接続を提供しています。 電子機器におけるワイヤーボンディングの現代的な応用 ワイヤーボンディングは、幅広い現代のアプリケーションで使用されており、柔軟性、信頼性、コスト効率を提供します。主な分野には以下のようなものがあります： 3D集積回路（IC）：3D ICでは、複数の半導体ダイが垂直に積み重ねられており、これらの層を接続するためにワイヤーボンディングが不可欠です。デバイスがよりコンパクトになるにつれて、高密度処理能力への需要が高まり、細かいピッチと高いピン数を管理するためにワイヤーボンディングが不可欠になっています。この技術は、高性能コンピューティング、先進的なモバイルデバイス、高密度デジタル電子機器にとって重要です。 ワイヤーボンドを使用した3D積層ダイ パワーエレクトロニクスとワイドバンドギャップ半導体：電気自動車や再生可能エネルギーシステムなどの高電力アプリケーションで使用されるシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ半導体のパッケージングには、ワイヤーボンディングが不可欠です。これらの半導体は高電圧と高温で動作し、より高い電流負荷を処理し、効率的な電力管理を確保するために、しばしば太いゲージの銅ワイヤーボンディングが使用されます。 ワイヤーボンディングされたパワーモジュール（画像出典：Electronics Weekly, “Powering UP”, 2022年4月 光電子工学とイメージセンサー：イメージセンサーの解像度が高くなると、必要な接続数が劇的に増加し、細いワイヤーボンディングが不可欠になります。これらの高性能、高密度設計は、先進的な消費者向け電子機器、医療診断、セキュリティシステムにとって重要です。 CMOSイメージセンサーCOBとワイヤーボンド【画像出典：アルバータ大学、Sensors 2011に掲載】 チップ・オン・ボード（COB）LED： COB技術はLED設計で広く使用されており、より高いルーメン密度と改善された熱管理を提供します。ワイヤーボンディングにより、効率的な熱放散を持つコンパクトなLEDアレイが可能になり、自動車、産業、消費者向けアプリケーションでより明るく長持ちする照明ソリューションにつながります。 COB

電磁両立性（EMC）の面で優れた性能を発揮するPCBを設計する際に習得する最も重要な概念の一つは、PCBのレイヤースタックアップの選択です。 図1 - Altium Designerのレイヤースタックマネージャーツール これは、電磁場をPCB設計内で適切に保持することと密接に関連しているため、最も重要な側面の一つとなります。 この「PCB設計におけるEMI制御の習得」シリーズの第3記事では、これらの概念をさらに探求し、他の重要なEMCの概念についても見ていきます。 信号が回路内で伝播するためには、完全な電流ループを形成するために2つの導体が必要です。一方の導体が信号を運び、もう一方が復帰経路を提供し、電流が流れ、信号が効果的に伝送されることを保証します。導体の一方を 信号導体と呼び、もう一方を信号復帰および 参照導体と呼びます。復帰参照導体という名前は、その仕事が信号の参照（またはゼロボルト）だけでなく、信号電流が発生源に戻るための最小インピーダンスの経路を提供する必要があるためです。最小インピーダンスの経路を実現するために、トレースではなく平面を選択し、この平面は信号のインピーダンス不連続を作り出す可能性のある分割、切断、またはその他のセグメンテーションを持たないべきです。 この基本的な概念から、信号を持つ各層には、復帰および参照経路を提供する第二の導体、復帰参照平面が必要であることがわかります。このシンプルなルールに従うことで、隣接する復帰参照平面（RRP）と各信号層をマッチングすることによって、スタックアップの設計方法を決定できます。 以下は、電磁干渉を最小限に抑えるためのスタックアップの例です。 2層スタックアップの例 2層スタックアップでは、1層を信号と電力トレースに専用し、2層目をソリッドなリターン参照平面とする構成が可能です。 図2 - Altium DesignerのLayer Stack Visualizerツールを使用した2層スタックアップの例

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要件管理は、開発ライフサイクルを通じて要件を収集、優先順位付け、検証、テストするための構造化されたプロセスです。これにより、電子開発企業は製品要件を実装し、成功裏に協力し、コストのかかるエラーを減らすことができます。 成功した製品は、明確に定義された一連の要件を満たしています。製品がシンプルであっても、要件は設計者によって認識され、 PCB設計レビューの間に意識的にチェックされます。より複雑なプロジェクトや大規模な範囲においては、要件はしばしばSOWやより大きな製品文書で指定され、これらはレビュープロセスの一部となります。 複雑さは電子製品開発の常であり、要件管理は製品がビジネス、機能、安全、ユーザーエクスペリエンス、およびコンプライアンスの目標を満たすことを保証します。 要件とは何か？ 要件は プロジェクト関係者によって定義された特定のニーズや機能です。例えば、電子製品には特定の電流容量をサポートできるPCB設計が必要かもしれません。その要件は、適切なコンポーネント、適切な熱管理、業界基準への準拠といった二次要件を生じさせます。 要件収集は、期待される機能、性能、およびユーザーエクスペリエンスを概説する高レベルの要件から始まります。初期要件は、クライアント、プロダクトマネージャー、ビジネスアナリスト、またはシステムエンジニアによって提案されることがあります。開発チームは、プライマリ要件をより詳細なセカンダリ要件に分解し、プロジェクトの目的を達成するための機能と制約を指定します。その結果、要件を構造化された形式に整理し、ステークホルダーがそれらの関係と依存関係を理解できるようにする階層が生まれます。 プロジェクトの各要件は、回路図やPCBレイアウト内の特定のオブジェクト、実行される特定のタスク、関連する文書や/または機能ブロック、およびコンプライアンスのために考慮される予想される条件を参照する必要があります。要件を単純なチェックリストとして考慮することは、しばしばナビゲートが難しい大規模な要件文書を扱うよりもはるかに簡単です。 良い要件とは何か？ 要件が有用であるためには、特定の基準を満たす必要があります。最も重要なことは、それがあいまいでないことです。不正確な要件は誤解、期待の不一致、および時間の無駄を引き起こします。 その他の重要な特性には以下が含まれます： 必要性： それは製品およびビジネスの目標に貢献しますか？ 達成可能性： それはプロジェクトの範囲と能力内で実装できますか？ テスタブル：成功した実装を測定するための明確で具体的な基準はありますか？ 電子製品開発のための要件管理 要件管理は協力的なプロセスです。要件の収集と管理は、プロジェクトに関わるマネージャー、電子設計者、電気エンジニア、機械エンジニア、およびその他のステークホルダーからの入力に依存しています。 また、協力を促進するプロセスでもあります。明確でよく理解され、合意された要件の包括的なセットは、さまざまな場所にいる能力が異なるチームが同じ目標に向かって作業できるようにします。

要件トレーサビリティマトリックス（RTM）は、電子製品開発において要件とその実装を追跡するために使用される文書です。RTMは、要件とそれに関連するすべての情報を記録した大規模な表で、設計文書、回路図、テストなどが含まれます。 これらは、エンジニアやデザイナーがプロジェクトの関係者と協力し、プロジェクトの成果がその目的と一致することを確認するのに役立ちます。 要件トレーサビリティとは何か？ 要件トレーサビリティとは、製品開発プロセスを通じて、プロジェクトの要件、成果物、および検証・確認テスト間の関係を追跡する能力のことです。 要件トレーサビリティは、前方、後方、または双方向のいずれかになります。 前方トレーサビリティは、各要件が対応する設計、実装、およびテストフェーズにリンクされていることを保証します。 後方トレーサビリティは、チームが最終製品をテストおよび設計フェーズを通じて元の要件にまで遡って追跡できるようにします。これは、納品されたシステムが初期の目標と目的と一致していることを検証するために不可欠です。 双方向トレーサビリティは、前方および後方トレーサビリティの両方を組み合わせ、プロジェクトライフサイクル全体を通じて要件を管理するための包括的なフレームワークを作成します。 要件トレーサビリティは、電子開発チームが次のことを支援します： 正しい製品を構築していることを確認する。 要件データを追跡し、すべての要件が満たされていることを検証するためのテストを含む。 機能、安全性、および規制遵守の要件充足の証明を提供する。 RTMは概念からテストまでの要件を追跡します ある電子機器会社が医療機器用の新しいプリント回路基板（PCB）を設計していると想像してください。規制により、PCBは電磁干渉（EMI）に耐性がある必要があります。 要件： PCBは、標準IEC 60601-1-2で概説されたEMI要件を満たす必要があります。 追跡性： 設計チームは、PCBレイアウトでこの要件をどのように達成するかを示す必要があります。 彼らは、特定の設計技術、コンポーネント、またはシールド方法を使用するかもしれませんが、すべて文書化され、要件にリンクされています。