PCB設計

電子設計の複雑さとそれが提示する課題は、これまで以上に顕著になっています。デバイスがより相互接続されるようになるにつれて、 効率的でエラーのない設計プロセスの必要性が最優先事項となります。現代の電子設計の課題は、設計データを要件と連携させることの重要性を強調しています。 Altium 365 Requirements & Systems PortalのようなAIインテリジェンスによって動かされるツールを使用することで、複雑さを より速く、より少ないエラーで管理することができます。その方法を発見しましょう！ 現代の設計プロセスの課題 私たちの日常生活におけるスマートデバイスの普及は、 電子設計の複雑さを劇的に増加させました。過去40年間で、チップの使用量は 100倍に急増しました。これを視点を変えてみると、数十年前の電気自動車が10から20個のチップを含んでいたのに対し、今日の車両は 2,000個以上のチップを搭載しています。 同時に、これらの製品に組み込まれるソフトウェアは過去10年間で15倍に増加し、1000万行のコードから驚異の 1億5000万行に膨れ上がりました。電子機器の使用増加は、コストに大きな影響を与えています。例えば、1970年代には、電子機器が車両コストの約10％を占めていましたが、今日ではその数値は40％に達し、2030年までには 電子機器が車両総コストの半分を占めると予測されています。 課題はそれだけではありません。これらの複雑な製品の生産タイムラインは3分の1に短縮されました。 かつて5年かかったものが、今ではわずか2年で完成させる必要があります。この緊急性が、多くの企業にアジャイル手法の採用を促しています。ソフトウェア開発から原理を借りて、設計をプロジェクトフェーズに分割することで、企業は継続的な協力と改善を促進できます。このアプローチは、より速いイテレーションを重視し、チームがシミュレーションの共同設計や共同エンジニアリングを通じて設計コンセプトを洗練させることを可能にします。このような戦略は、広範なシミュレーションと迅速なプロトタイピングを要求し、結果をテストして素早く調整を行う必要があります。 歴史的に、電子機器は

電子部品のグローバルサプライチェーンは、近年、大きな課題に直面しています。COVID-19の混乱から需要の急増、地政学的緊張に至るまで、これらの複合的な圧力は、部品のリードタイムの長期化や、先進材料や希少地球元素を含む重要な原材料の不足を引き起こしました。 今年は、 米国と中国の間の地政学的貿易緊張がサプライチェーンにさらなる負担をかけ、製品の流れを乱し、不確実性を高めました。これらのエスカレートする緊張は、グローバルに分散した製造モデルの脆弱性を浮き彫りにします。しかし、2024年が進むにつれて、サプライチェーンを安定させるための努力が成果を示し始めています。 部品のリードタイムは、2023年と比較して改善されています、特に特殊部品については。この回復は、生産能力の増加、より良い在庫管理、そしてディストリビューターによるより安定した在庫レベルの維持への集中的な努力によって可能になりました。 電子部品への需要は、半導体や受動部品のようなカテゴリーを中心に成長を続けています。世界半導体貿易統計（WSTS）機関によると、 業界は2024年に16パーセントの成長を見せ、6110億ドルに達すると予測されています。しかし、これが全て良いニュースというわけではありません。多くの業界の専門家は、製造能力の増加がより迅速に行われなければ、需要が供給を上回る場合、業界は再び不足に直面する可能性があると懸念しています。 供給＆需要の観点から見たNexar Spectra Nexar Spectraからの 無料業界データを見ると、2022年5月から2024年4月までのいくつかの大きなトレンドが見られます。2年間で供給は大幅に改善されました（図1）、一方で需要は2022年5月から2023年4月にかけて減少し、その後1年間ほぼ上向きのトレンドでした（図2）。 2022年5月から2024年4月までの供給指数 2022年5月から2024年4月までの需要指数 受動部品のトレンドを見る 受動部品の供給は、2022年12月以降ほとんど下降トレンドを見せています（図3）。一方、需要は2023年4月以降ほとんど上昇トレンドにあります（図4）。この供給と需要の不均衡が、一部の受動部品カテゴリーでの不足と長いリードタイムの背景にあります。 パッシブコンポーネント供給 2022年5月から2024年4月まで パッシブコンポーネント需要 2022年5月から2024年4月まで 2024年以降を形成する主要なトレンド

電子業界は、急速な変化と革新に慣れています。この業界のミドルネームは「変革」です。過去数年間で、AI駆動の自動化から リショアリング努力に至るまで、業界のサプライチェーンを再形成する一連のトレンドを目の当たりにしてきました。しかし、先を見据えると、これまで十分な注目を集めてこなかった一つのトレンドにもっと焦点を当てる必要があります：電子サプライチェーンにおける先進材料の役割です。 サプライチェーンのレジリエンス、 サイバーセキュリティ、 デジタル化に関する議論が見出しを飾る中、先進材料の重要性は静かに高まっています。これらの材料 – 新しい合金から最先端のコンポジット、ナノマテリアルに至るまで – は、量子コンピューティング、先進半導体、次世代バッテリーなどの技術進歩の次の波にとって不可欠です。 特殊材料への需要の増大 先進材料の需要 – トポロジカル絶縁体、グラフェン、固体電解質、ペロブスカイト材料、希土類元素を含む – は、技術が前進するにつれて増加しています。IndustryARC™によると、先進材料市場は 2025年には2.1兆ドルに達すると予測されています、2020年から2025年にかけて年平均成長率（CAGR）は4.5%です（これらの数字は、電子機器だけでなく、産業全体の特殊材料に関するものです）。 電子機器業界は、これらの材料ができることの境界を常に拡大しています。例えば、量子コンピューティングには、従来の電子部品には見られないユニークな量子特性 – 重ね合わせやもつれなど –

高速および信号完全性への導入 デジタルシステムは、現代の電子機器の基本的な領域の一つです。高効率プロセッサーやFPGA、高速ADCコンバーターとDSPやFPGAを使用する広帯域データ取得システムなど、デジタルシステムの進歩は、さまざまな集積回路やモジュール間の相互接続を含むPCBを特に、電子設計に異なるアプローチを要求します。このアプローチは、現代の高速電子機器で使用される信号の種類に関連しています。 RS232やI2Cのような基本的でよく知られたインターフェースは、データスループットが秒間数百キロビットに限定されていますが、PCIeやUSB3.0のようなインターフェースを介して高速システムやモジュール間の相互接続は、秒間数ギガビット以上のデータレートを持つことがあります（これが高速システムや高速設計という用語の由来です）。 さらに、現代の高データレート相互接続のほとんどは、少数の信号線のみを使用するシリアル信号を使用します。そのようなシリアル線の一つが図1に示されています。いくつかの標準では複数の線が必要であり、ほとんどの場合、これらの線は差動ペアとして作られます。そのような標準の良い例はPCIeやJESD204です。 図1：シリアル高データレートリンク；送信機、受信機、および伝送路のインピーダンスマッチングは信号完全性にとって基本的です 高速設計の原則は、信号データレートとこの信号によって占められる帯域幅との間に直接的な関係があるため、無線周波数設計に似ています - データレートが高いほど、そのような信号によって占められる帯域幅も広くなります。また、高速信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間は、しばしば1ns以下で、スイッチング周波数は数GHzを超えることがよくあります。このような信号は、SPI、I2C、RS232などの低速規格で使用される信号とは異なる方法でPCBを伝播します。信号の帯域幅を念頭に置き、送信機（例：ADCのJESD204Bインターフェース）から受信機（例：FPGAの入力ピン）まで、データリンクの忠実度が維持されるように、PCBを正しく設計するためには、重要な注意が必要です。最も一般的には、LVDS（低電圧差動信号）規格が、高データレートモジュールやシステムを相互接続するため、または高速信号の標準化された仕様（例：電圧変動、論理レベル、インピーダンスなど）を提供するために使用されます。 高速信号の性質は、PCB上で伝送されるリンクと信号の高忠実度を保証するために、PCBと回路図の異なる設計ツールを必要とします（設計に費やされる時間の削減とともに）。信号の高忠実度は、信号の品質特性に関連するもので、信号整合性と呼ばれ、PCB/SCHの開発中だけでなく、専用ツールを使用したラボでの信号測定によっても検証できる伝送信号の多数のパラメータから構成されます。 Altium Designerは、高速プロジェクトに関連するすべての活動をサポートし、例えば以下のような多数の機能を提供することにより、信号整合性の制御手段を提供します： 回路図とPCBでの差動ペアの定義の可能性； 長さマッチングを伴うPCBエディタでの差動ペアのルーティング； 差動および単線信号線の制御インピーダンストラックの定義； 差動ペア内およびバス内での信号線の長さ調整； 信号整合性と高速のためのシミュレーションツールとDRCチェック； 消散因子、誘電率定数、銅の粗さを含むインピーダンスプロファイルでのPCBスタックアップの定義の可能性； コンポーネントの伝播遅延の定義の可能性 など。 これらの機能は、信号完全性に関連する設計エラーを軽減し、設計フェーズでの柔軟性を提供し、プロトタイピングコストを削減し、製品の市場への納品を加速させるのに役立ちます。

この PCB設計におけるEMI制御をマスターするシリーズの第2記事では、電磁干渉（EMI）の低レベルを維持するための重要な概念の1つについてさらに詳しく掘り下げます。 ボードの分離、または ボードのパーティショニングとしても知られているこの方法は、プリント回路基板（PCB）の異なる回路部分を整理して分けるために使用されます。これにより、特にEMIの観点から、ボードの全体的な性能が向上します。この技術は、電磁干渉を減少させるだけでなく、PCB設計の信号整合性を向上させるのにも役立ちます。 これらの技術の背後にある原則には、次のものが含まれます： 高周波デジタル信号の高エネルギー内容を含有する。 ボード内の異なるタイプの回路間での共通インピーダンス結合を避ける。 外部干渉への免疫を向上させ、放射を減少させるために電流ループ領域を減少させる。 高速信号と低速信号及びその高調波 最初の概念は、急速に切り替わる信号によって生じる高エネルギー高調波の内容を制御し、その電流が時間とともにどれだけ迅速に変化するかについてです。電流の変化率が高いほど、信号の高調波エネルギーが増加し、放射の可能性が高くなります。 第二の概念は、信号のリターン電流が信号の周波数によって変化するということです。これは、信号が伝播中に遭遇するインピーダンスが、導体の抵抗だけでなく、その容量と、最も重要な、そのループインダクタンスも含むためです。信号の周波数が増加するにつれて、周波数に依存するインダクタンス成分（インピーダンスの一部）が大きくなります。 リターンパスの違い 電流は常に最小のインピーダンスの経路を求めるため、信号の周波数が増加すると、リターン電流はインダクティブループを最小限に抑えるために信号電流に密接に従うことが重要です。逆に、信号の周波数が低い場合、インダクタンスが小さくなり、インピーダンスの抵抗成分が支配的になります。 この段階では、リターン電流は最小の抵抗の経路を見つけるために導体の表面全体に広がります。PCB設計者にとって重要な点は、リターン電流の源への戻り経路が信号の周波数に依存するということです。 図1 - Altium Designerにおける周波数に基づく異なるリターン電流経路の例 PCB設計者としての私たちの仕事は、これらのリターン電流間の干渉を最小限に抑え、共通インピーダンス結合を避けることです。これにより、電磁放射を引き起こす可能性があります。これを実現するために、PCB内に特定のゾーンやセクションを作成し、それぞれを特定のタイプの回路に専用することができます。これにより、電流ループも減少し、差動モード電流からの放射が少なくなります。 異なる回路のリターン電流経路をさらに隔離するために

BOMに調達できない部品が含まれていることに気づくのは、思っているよりも一般的な問題です。EDAソフトウェアで提供されるリアルタイムのサプライチェーンツールを駆使しても、設計者は注文をかけようとした段階で部品が突然在庫切れになっていることに気づくことがあります。関連する問題として、部品が突然EOL（製造終了）になったり、メーカーからの通知なしに廃止されたりすることがあります。 これらの事態が発生した場合、いずれかの時点で再設計を行い、基板を作り直さなければなりません。再設計を実施するために必要な時間は、部品を発注する直前に再設計が必要になった場合に最も長くなります。設計サイクルの終わりまでBOMのチェックを待つのではなく、PCB設計プロセスの戦略的なポイントで定期的にBOMレビューを実施することがはるかに良いです。シンプルな部品の交換を早期に発見すること、例えばまだ回路図を設計している間に発見することが、配置やルーティングを変更して部品交換に対応しなければならない状況よりも望ましいです。 BOMレビューは、適切なサプライチェーンツールがあれば、厳しい作業である必要はありません。この記事では、BOMレビューをどのように行っているか、そしてPCB設計プロセスを進める中で、そのようなレビューがどのように迅速に情報を提供できるかをお見せします。 BOMレビューとは何か？ BOMレビューは、PCBプロジェクトのBOMを定期的にチェックし、在庫、価格、リードタイム、ライフサイクルステータスの変更がないかを確認する作業です。BOMレビューの目的は、PCBが生産に入る前に、調達できないコンポーネントやBOMの誤った情報を特定することです。設計が完了する前にこれを行うことで、BOMに調達できないコンポーネントが見つかった場合の再設計作業を最小限に抑えることができます。 多くの場合、BOMは最終化されてから設計が生産に移されるまでの間、ほとんどレビューされることはありません。設計が完成するまでサプライチェーンを調査し始めないと、最後の瞬間にコンポーネントの交換を余儀なくされるリスクをデザイナーは負うことになります。回路図の完成からコンポーネントの購入までの間にレビューを行うことで、必要な交換を早期に発見できます。この方法で、レイアウトとルーティングが完了する前に交換を実施でき、設計への影響を最小限に抑え、設計サイクルの時間とコストを削減できます。 私のお気に入りのツールでBOMレビューを瞬時に行う 正直に言って、BOMレビュー、回路図レビュー、 PCBレイアウトレビューなど、設計レビューを行うのは誰も好きではありません。時間がかかる上に、レビュー中に何を探しているのか実際には分からないことが多いです。BOMレビューでは、適切なツールを使用し、設計プロセスでレビューのための時間を確保することで、はるかに迅速に行うことができます。 ディストリビューターのウェブサイト 一部のディストリビューターのウェブサイトでは、ユーザーがBOMファイルをアップロードできるようになっています。通常はExcelまたはCSV形式です。これは新しい注文を開始するときに行うプロセスと基本的に同じです。BOMがアップロードされると、プラットフォームは会社の在庫を検索し、BOMの部品と照合します。その後、ディストリビューターのウェブサイトは、在庫不足やライフサイクルの状態のために調達できないBOMの部品を教えてくれます。 在庫切れや廃止された部品を見つけるために、Digi-Keyのリスト機能など、ディストリビューターのウェブサイトを使用できます 上のスクリーンショットはDigi-Keyのリスト作成システムを示しており、在庫がない部品や廃止された部品はユーザーにフラグが立てられます。プロジェクトの完成前にいつでもBOMをアップロードしてこの作業を行い、これらの部品の交換に必要な時間を短縮できます。 OctopartのBOMツール 問題は、ディストリビューターのウェブサイトにアクセスすると、数十のディストリビューターが存在し、Digi-KeyやMouserのようにBOMアップロードシステムを持っているわけではないことです。代わりに、すべてのディストリビューターの在庫を表示するプラットフォームが必要です。 ここで私が好んで使用するのが OctopartのBOMツールです。BOMツールを使用すると、BOMのExcelシートをアップロードし、列を迅速にマッピングし、ディストリビューターの在庫を検索して利用可能性を確認できます。複数のディストリビューターを選択して部品をスキャンし、検索することができ、単一のディストリビューターのウェブサイトで見つかるのと同じ情報を得ることができます。 BOMツールのこのビューは、EOL/NRND/廃止された部品を示しています サードパーティのサプライチェーンプラットフォームはどうでしょうか？多くのデザイナーが気づいていないのは、多くのサードパーティ物流プロバイダー（3PL）が実際にはデータアグリゲーターからサプライチェーンデータを取得していることです。そして、ほとんどの場合、そのデータアグリゲーターはOctopartです。もし3PLが調達問題を示すBOMビューを提供しているなら、BOMレビューに活用しましょう！ Altium