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WB 記事 1 ワイヤーボンディング：現代の応用、技術トレンド、およびコストに関する考慮事項 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
高速設計における信号反射の理解 高速設計における信号反射の理解 はじめに 信号反射とインピーダンスマッチングに関する工学は、高速デジタルシステムの設計に関連する基本的なトピックの一つです。高ビットレートのデジタルシステムの場合、ビットの状態「0」と「1」についての情報が矩形波信号の形で送信されるとき、上昇（または下降）エッジの立ち上がり（または下がり）時間は、バイナリ信号の周波数に対して無視できると想定されます。しかし実際には、デジタル信号が無限に速く上昇または下降することはありません。立ち上がり（および下がり）時間は、送信機、受信機のパラメーター、および伝送路の物理的特性を含む信号経路のパラメーターによって決定されます。 高速システムの場合、立ち上がり時間と下がり時間は1ns以下と短くなることがあります。デジタルシステムのバイナリ信号の周波数は数GHzに達することがあり、比較的矩形の形状を維持するためには、上昇および下降エッジはビット期間の一部であるべきです。 電磁波の伝播速度（伝送線路内の電圧と電流の伝播）は、伝送線路の種類や基板の種類など、いくつかの要因に依存します。例えば、FR4基板とマイクロストリップ伝送線路の場合、伝播速度は約160Mm/s（メガメートル毎秒）または525Mft/s（メガフィート毎秒）です。もしエッジの立ち上がり（または立ち下がり）時間が例えば200psであれば、立ち上がり（または立ち下がり）エッジは伝送線路を立ち上がりまたは立ち下がり時間中に32mmまたは1.25インチ移動します。 信号形状を保持するかどうかは、PCBに沿った伝送線が、立ち上がり（または立ち下がり）エッジが移動する距離と比較して長さがある場合に、インピーダンスの連続性を維持し、受信側で適切な終端を行うかどうかに依存します。非常に短い接続やデジタル信号の立ち上がり（立ち下がり）時間が遅い場合、ここで説明されている反射の現象は観察されないかもしれず、スキップされる場合があります。経験則として、信号エッジが移動する距離（つまり、伝播時間と伝播速度の積）が伝送長の10％以上である場合は、出力、入力、および伝送線を適切にマッチングすることが求められます。この手順はインピーダンスマッチングと呼ばれ、PCB上のトレースの設計および抵抗器で構成されるマッチングネットワークを含みます。 インピーダンスマッチングと抵抗マッチング インピーダンスマッチング条件を決定する関係はよく知られています。TXの出力インピーダンスが受信機のインピーダンスの複素共役であり、送信機と受信機を接続する経路の抵抗が送信機と受信機の実部と同じである場合、信号経路はマッチしています。デジタルシステムの実際のケースでは、送信機または受信機経路の複素共役インピーダンスマッチングネットワークを実装することによってマッチングは行われません（これは、任意の虚数インピーダンス成分をキャンセルするために信号線にインダクタとキャパシタを追加する必要があります。また、このタイプのマッチングは通常狭帯域なのでデジタルシステムでは実用的ではありません）。 一般的な実践は、送信および受信ICの抵抗部分のみをマッチさせ、伝送線の特性インピーダンスを純粋に抵抗的にすることです。この場合、必要なマッチングを提供するためには抵抗器のみが必要です。例えば、ドライバー出力に直列抵抗器を配置することは、送信機を伝送線にマッチさせる可能性のある解決策の一つです。受信機では、グラウンドへの並列抵抗器を使用できます（または、差動ペアの場合 - 差動ペアを形成するトレース間に抵抗器）。受信機の終端トポロジに関連するいくつかの例は、Altium Designerで利用可能なSignal Integrityツールから取られた図1に示されています。 図1: Altium Designer シグナルインテグリティツールで利用可能な終端トポロジー デジタルシステムにおける信号反射の例 この章では、50Ωシステムに基づいている反射波形との信号マッチング例について議論します - ラジオ周波数設計に共通のシステムですが、このセクションで提示される関係は、他のインピーダンスプロファイルを使用するデジタルシステムや、差動ペアによって信号が送信される場合にも適用されます
2024年 - 2025年に電子部品供給チェーンを形成する6つのトレンド 2024年 - 2025年に電子部品供給チェーンを形成する6つのトレンド 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
エレクトロニクス供給チェーンにおける先進材料 エレクトロニクス供給チェーンにおける先進材料 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 –
シグナル・インテグリティ記事 4 Altium Designer 24に基づくシグナル・インテグリティの原則 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。
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