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なぜPCBの電源レールは低インピーダンスである必要があるのか PCBパワーレールが低インピーダンスである必要がある理由 1 min Blog 電源レールが何であるか、それがどのように機能するか、そして恐怖が悪い設計決定を下す原動力となる方法について学びましょう。 記事を読む
面パターンで繋ぐ - フィルとリジョンとポリゴン 面パターンで繋ぐ - フィルとリジョンとポリゴン 1 min Blog プリント基板設計では、回路図通りに正しく接続するだけでなく、信号を正しく伝える事や電流容量に対する配慮が必要になります。この為、細い均一な線幅で配線するだけでなく、広い多角形による配線が必要になります。この広い面パターンの配置はベタ塗りとも呼ばれ、GNDの配線によく利用されます。基板設計CADのAltium Designerには、この面パターンのために「フィル」「リジョン」「ポリゴン」の３つのオブジェクトが用意されています。そこで、今回はこれらの併用や使い分けの為に、それぞれの特徴をおさらいしたいと思います。 「フィル」– 狂いの無い四角形を素早く作成 フィルは、PCB-CADの機能が十分に進化していない、未成熟な段階のベタ塗りオブジェクトです。四角形しか作成する事ができず、多角形が必要な場合には、複数のフィルを貼り合わせたり、トラックを併用したりする事が必要です。 形状が単純な為、PCBデータやGerberデータのサイズを節約できますが、複雑な形状の作成は困難です。そのため、今となっては配線用のオブジェクトとして使用するメリットはほとんど無くなってきています。 しかし、SMTパッドのソルダーレジストを、実オブジェクトで定義したい場合などには便利です。フィルは、マウスを一回ドラッグするだけで作成でき、大きさの変更もハンドル又はプロパティパネルで縦（Width）と横（Length）の２カ所を修正するだけで済み、回転も簡単です。また、作成時には外形の平行度が常に保たれ、狂いの無い四角形を迅速に配置できます。 「リジョン」– 複雑な形状の面パターンをマニュアルで作成 リジョンは、マウスのクリックで順に頂点をクリックしていく事によって、複雑な形状の面パターンを作成する事ができます。また、基板外形を作成する時のように、[J] - [L]（Jump to Location）ショートカットを用いて、数値入力で精密な多角形を作成する事ができます。もちろん円弧で外形を描く事や、配置した後の直線部分を円弧に変更する事もできます。このリジョンには自動ベタ抜き機能は無く、異形パッドやスイッチの接点、RF回路などに対して、決められた通りの形状の面パターンを配置したい場合などに適しています。 「ポリゴン」-自動ベタ抜き機能により、複雑な面パターを瞬時に作成 ポリゴンは、３つの面パターンオブジェクトのうち、最も多彩なものです。障害物に対するクリアランスを保ちながら、空いているスペースを面パターンで埋めつくす事ができます。これは、「自動ベタ抜き」とも呼ばれます。このポリゴンの外形（領域）は、リジョンと同様の方法で作成・変更ができます。 ポリゴンの編集・管理機能 ポリゴンではその「自動ベタ抜き」のすばらしさだけに目を奪われがちですが、それだけではなく、編集や管理の為の機能も充実しています。 カットアウト機能では、領域の内部を切り抜く事ができます。また、作成済みの領域を分割する事もできます。さらに、ポリゴンの形状・属性をプロパティパネルによって編集でき、基板上に配置された複数のポリゴンを包括的に管理できる、ポリゴンマネージャ（Polygon Pour 記事を読む
PCB用のスキーマティック・ネットリストとは何ですか？ PCB用のスキーマティック・ネットリストとは何ですか？ 1 min Thought Leadership 次の素晴らしい回路図を作成した場合、設計ソフトウェアの背後には多くのことが行われています。回路図内のコンポーネント間の接続は、少数の論理的および電気的識別子に還元することができます。回路図は異なるコンポーネントとピン間の接続を示すグラフィカルな画像を提供するかもしれませんが、設計についてすべてを本当に理解するためには、重要な文書が必要になります。 回路図のネットリストは、実際のPCBを作成するために設計ソフトウェアの複数の機能で使用される中心的な情報の一つです。回路図のネットリストは、電気的接続情報を提供するとともに、設計データの機能構造を単一のデータセットで反映します。データを再利用する必要がある場合や、シミュレーションツールで電気的接続を迅速に定義する必要がある場合、ネットリストは回路図設計からこれらの他のツールへの移行を助けてくれます。また、設計レビューの一環として、製造業者にネットリストのコピーを提供する必要もあります。PCB設計ソフトウェア内のネットリストの正確な構造をもう少し詳しく見てみましょう。 スキーマティックネットリストには何が含まれていますか？ さらに進む前に、EDAソフトウェアで使用されるネットリストには、IC設計やPCB設計用の異なるタイプがあることを理解しておく必要があります。これらのネットリストは、ロジック、コンポーネント間の接続、および階層的な関係を定義することができます。ネットリストは、設計の構造と機能を要約するための強力なツールです。ネットリストにはグラフィカルな情報は含まれていません。これはスキーマティックドキュメント自体に含まれています。 それはそうと、回路図とそのネットリストは密接に関連しています。ネットリストは回路図から生成することができるし、回路図（ フラットまたは階層的）はネットリストから生成することもできます。PCB回路図の情報に関して言えば、ネットリストには複数のデータエントリが含まれ、各エントリには以下の情報が含まれます： ネットラベル：スキーマティック内の特定のネットに付ける名前です 参照指定子：ネット上に接続されたコンポーネントのための指定子です ピン番号：ネット上の各コンポーネントはいくつかのピンを持っているため、ネット上の各コンポーネントのピン番号がネットリストに表示されます スキーマティックのネットリストの読み方を知っていれば、回路がシミュレーションの準備時にSPICEネットリストにどのように変換されるかを見ることができます。また、サードパーティのライブラリからのネットリストに見つかるかもしれないエラーをトラブルシューティングすることもできます。 回路図をキャプチャして初期レイアウトにインポートすると、回路図のネットリストデータが使用されて、未配線のレイアウトで見られる接続線が作成されます。回路図にこれ以上の変更を加える必要がない限り、ボードを配線する際に設計データが一貫していることを確信できます。ただし、製造前に BOMとガーバーファイルが回路図とネットリストの情報と一致していることを確認する必要があります。 製造業者がネットリストをどのように使用するか 設計レビュー中に、回路図のネットリストのデータがGerber、BOM、および回路図のデータと比較されます。ネットリストとこれらのドキュメントの1つ以上の間に不一致が見られることはよくあります。これは、ほとんどの場合、設計が完了する前にネットリストとBOMをエクスポートした結果であり、設計を送信する直前の最後の変更により、BOM、ネットリスト、およびGerberを再構築して、すべてのデータが一致していることを確認する必要があります。これが繰り返しに聞こえるかもしれませんが、低品質の製造業者を使用して不良のボードのバッチを郵送で受け取るよりはましです。 製造業者は、ネットリストを使用してベアボードテストの要件を定義します。ネットリストの接続性は、ベアボードテストプロセスに使用されるテストフィクスチャにプログラムされます。ODB++データファイル形式は、ネットリストをパッケージから生成できるため、製造において好ましい形式です。それ以外の場合は、Gerberファイルと一緒にIPC-D-356ネットリストを送信することをお勧めします。これにより、ベアボード製造前に徹底的な比較が可能になります。 古いプロジェクトのネットリストを捨てないでください デザインの再利用は新しい概念ではなく、 頻繁に使用するライブラリや回路ブロックを保持することから全てに及びます。異なるEDAアプリケーションからの設計データを希望のプラットフォームにインポートすることは難しい場合があります。次の設計は古い設計のバリアントであるかもしれませんし、元の回路図/レイアウトの特定の機能ブロックを参照する必要があるかもしれません。古いプロジェクトからのネットリストを保持しておくことで、元のレイアウトや/および回路図データが破損しているかアクセスできない場合でも、新しい設計プラットフォームでそれらを再構築するのに役立ちます。 回路網リストに配置されたデータは特定の形式で高度に構造化されているため、異なる設計プラットフォームは新しい設計を構築する際に互いの回路網リストを再利用することができます。古い設計のコンポーネントに対してモデル、回路図シンボル、PCBフットプリントを持っていれば、新しいソフトウェアで元の設計を手動で再構築する必要はありません。回路網リストからネット名、参照指定子、ピン番号を読み取ることはできますが、古い回路網リストから設計を迅速に再構築できる設計ソフトウェアを使用する方がはるかに良いでしょう。 Altium 記事を読む
基板のDFMプロセスを切り抜ける 基板のDFMプロセスを切り抜ける 1 min Blog アルティウムのPCB設計ブログ読者の皆さまは、おそらく、これまでに基板の設計や製造の経験をお持ちでしょう。私もそうですが、デザインを製造にリリースするのは、うれしくも悲しくもあることです。丹精込めて設計したハードウェアがもうすぐ形になる一方で、製造現場からDFMのリクエストが並んだ一覧が送られてくるからです。これは、1つも楽しいことではありません。この記事では、実装すべき設計機能を紹介し、製造前にやっておくべき手順について説明します。それがあれば、 DFMの厄介事を避ける上で役に立つでしょう。また、シグナルインテグリティ回路で起こる一般的なDFMの問題についても、いくつか例をご覧いただきます。 しっかりとした構成で始める 積層板が特定の厚さでしか提供されていないことを忘れてしまい、積層板の物理的な特性のみを考慮して材料を選択する技術者が大勢います。スタックアップは、任意ではなく限定的な厚さの選択肢から選んで設計する必要があるのです。そうしないと、製造業者から製造可能なスタックアップを提案され、トレースの配置を大幅に変更する必要が出てくる恐れがあります。たとえば、GNDプレーンの任意の分離幅として8mil (4milの誘電体層が2つ) を使って ストリップライントレースをこちらは設計したのに、製造業者から材料が5mil単位でしか提供されていないと告げられた場合は、トレースの幅を大幅に広げるか狭めるかしてインピーダンスを維持する必要があります。これは、特に密度が制限に達しようとしている場合に、深刻な状況になります。 この問題を回避するには、レイアウトを開始する前に製造業者に連絡し、基板に何をさせる必要があるのかを伝えます。少なくとも、基板で対応する必要のある周波数範囲、レイヤの数、目標としている全体的な厚さについて知らせておきましょう。インピーダンス制御のための目標DKやパネルのサイズ、意図される最終用途といった詳細は、製造業者が考えられる選択肢を絞り込む際に非常に有用です。現場で製造がスムーズに進むような材料を選択することも、最初から良い結果を出す上で役立ちます。 IPC-A-610に準拠する 基板を問題なく製造する上で必要なことを理解するにあたっては、ICP-A-610が一番の味方になってくれるでしょう。この文書はそれほど高価ではないため、まだお持ちでない場合は入手することをおすすめします [1]。この規格では、基板が3つのクラスに分類されています。クラス1では、故障率がそれほど重要にならない使い捨ての品目が対象となります。クラス2では、製造プロセスを踏まえ、確実に機能して故障率を低く抑える必要のある電子機器が対象となります。クラス3では、たとえば、ペースメーカーなど、故障が許されない機器が対象となります。各クラスに要求される仕様は、基本的にはPCB関連の故障モードを相殺するために組み込まれた安全マージンのレベルと、特定の現場でPCB製造プロセスに課せられる物理的な制限に伴う関連設計基準です。 大半の機器については、ドリルドローイングレイヤに「この基板はICP-A-610のクラス2に従って製造してください」という製造メモを残す必要があります。こうすることで、この規格を確実に守りながら基板を製造できるようになります。とはいえ、製造業者についてはちょっとした秘密があります。彼らはすべての設計でICPクラス2をチェックしているのです。これは単に、欠陥のために基板を戻されることを避けるためです。彼らがICPのクラス2の基準に照らして基板をチェックしているのであれば、こちらは設計が製造に渡される前に仕様を確実に満たしておく必要があります。単純に聞こえるかもしれませんが、これが技術者から最もよく耳にする問題なのです。 たとえば、「トレースにはシルクスクリーンを配置しない」や「SMTパッドにはソルダーマスクを使用しない」など、いくらかの常識があれば大半のIPCに準拠することができます。ただし、見逃しやすい基準もいくつかあります。それは、設計者が製造可能性ではなく、シグナルインテグリティやパワーインテグリティといった設計の別の側面に目を向けているからです。 アニュラリングのサイズ ICPの文書では、ドリルブレークアウトが定量化されています。ブレークアウトを防止するには、ビアの周囲のアニュラリングの直径を、大半の製造業者のドリルよりも12mil大きくする必要があります。この問題は、同軸コネクタや高速シリアルコネクタ向けの設計で発生する傾向にあります。シグナルインテグリティの場合、このパッドは邪魔にしかならないため、最小限に抑える必要があります。通常、技術者はこのサイズを8milにしようと試みます。達成不可能な数字ではありませんが、すべての製造業者が対応できるとは限りません。 ドリル トレースからドリルまでの距離 すべてのレイヤの銅箔からドリル穴のエッジまでの公称距離は、8mil以上にする必要があります。これは、ドリルがぶれて他のネットに接触しないようにするためです。8milでもかなり小さく、現在の最高水準では回路密度が上げられ、この制限にぶつかってしまうことが常となっています。ここで重要なのは、前もって計画して設計内で配線チャンネルを作成し、それに応じてトレースを設計することです。たとえば、10milのドリルで作成されたビアが2列あり、その列が40milの中心線上にあるとしましょう。配線チャンネルは、30milからDFMの両側で8milをマイナスした14milとなります。2つのトレースをここに収める必要がある場合、5milのトレースを使えば、4mil残すことができます。シグナルインテグリティの用途では、バックプレーン コネクタを使用する際に、かなりの頻度でこの方法が利用されています。たとえばAirMAXTMコネクタ [2] 記事を読む
片面基板の設計の要点 片面基板の設計の要点 1 min Blog プリント基板は電子回路の配線手段として登場し、電子部品と歩調を合わせて進化してきました。 1960年代に入りトランジスタが使われるようになると、真空管時代の空中配線に変えてプリント基板が使われるようになりました。そしてその後 IC・LSI が現れ、その進化に合わせて基板の多層化が進みまました。その結果、現在のデジタル機器では当り前のように多層基板が使われるようになりました。 片面基板はプリント基板の原型であり、今では時代遅れなものに見られがちです。しかしまだ役目を終えた訳ではなく、いたるところで使い続けられています。例えば、回路規模が小さく実装スペースに余裕がある家電製品などでは、さほど実装密度を上げる必要は無く、片面基板で充分な場合があります。そして、なによりも片面基板は安価ですので、今後も需要が途絶えるは無さそうです。 そこで今回は、このシンプルな片面基板を取り上げ、設計上の要点を解説したいと思います。 片面基板の特徴と課題 片面基板では、ただ一つの銅箔面で全ての配線を完結しなくてはなりません。片面基板の設計ではこの事によって生じるさまざまな課題を解決しなくてはなりません。 例えば、片面基板では配線を交差させる事はできません。またプリント基板は電子部品間の端子間を接続し回路を形成するという役割の他に、部品を固定するというもうひとつの役割がありますが、片面基板ではこの事に対する特別な配慮が必要になります。 ストレスに耐えうる強度を得るために 片面基板に於いても、両面基板と同等の精度でエッチングや穴加工を行う事ができます。しかし片面基板でよく使用される紙フェノール基板は、両面基板で使われるガラス基板ほどの強度は無く、熱に対しても敏感です。このため、精細な配線パターンを用いると断線の危険性が高まります。 また、スルーホールが形成されませんので、片面に置かれたパッドだけで部品を保持しなくてはなりません。このため、大きなサイズのパッドを使って、穴加工後の箔残りを十分に確保しなくてはなりません。 配線パターンの幅 両面基板ではピン間3本の線幅基準である、0.14mm幅の配線パターンが当たり前のように使われます。しかし、紙フェノールの基材を使う片面基板では、強度が不十分な上に熱による収縮・膨張によって断線が起こりやすくなります。このため、片面基板ではピン間2本またはピン間1本の線幅基準である、0.2mm～0.3mm程度を最小線幅とします。この最小線幅は、基板のサイズや用途を考慮してケースバーケースで決める事が必要ですが、もし0.2mm以下の線幅で配線する場合には、ガラス基板を用いるのが一般的です。 尤も、実際に片面基板が使用されている例を見てみると、1,27mm程度 のグリッドを使って、0.5mm以上の線幅で配線されている場合が多いようです。 片面基板のパットサイズ 片面基板ではスルーホールが形成されない為、部品を半田面のパッドだけで支えなくてはならず、両面基板よりもパッドサイズを大きくしなくてはなりません。小型の抵抗やコンデンサ、ピン数の多いICなどでも、穴径に対して1.0mm以上大きいサイズのパッドを用いて、穴加工後の箔残りを0.5mm程度確保します。 また重い部品や、バッテリーなどの保守性が求められる部品に対しては、穴径 + 記事を読む
ISU Petasys、多層基板製造会社の役割と成功したPCB実装の実現 ISU Petasys、多層基板製造会社の役割と成功したPCB実装の実現 1 min Blog ISU Petasys（「イースー」と発音）のセールスシニアバイスプレジデントであるジョン・スティーブンスは、1974年に初めての回路基板を製作しました。彼のように、業界の多くの人々が、宇宙航空産業で働くことによって、PCB設計、製造、組立てについての実地教育を受けました。 彼は説明します。「私は宇宙航空業界でリットン・ガイダンス・アンド・コントロール・システムズにてキャリアをスタートし、そこでは新技術やプロトタイプを開発するプロトタイピングショップであるプロセス開発ラボで働いていました。開発したプロセスを供給業者に教え、新しいプロセスであれば、私たちが基板を製造していました。宇宙航空業界は多くを教えてくれました。ラボは素晴らしく、私たちは小さなチームであり、複数のプロセスと職務機能をこなしていました。」 「当時、複雑な基板を製造している人はいないと人々は言いますが、1976年にはF-16に搭載される16層の基板を製造しました。 ジョンは40年にわたるキャリアの中で、PCB製造プロセスに深く関わってきました。彼は次のように述べています。「研究室から、私は材料計画に移り、スケジューリングや多くの発注を行いました。その後、製造業者と私たちのエンジニアとの間のインターフェースを担当しました。当時はGerberデータを扱っていなくて、製造業者にはフィルムを渡していましたが、それには多くの問題がありました。設計エラーがあると、フィルムは修正されましたが、ファイルは修正されませんでした。」 「最終的に、私たちはサプライヤーに電子データを使用したいと伝えました。私たちは以前、12インチ四方のパネルで基板を製造していましたが、18x24のパネルに4つを配置してコストを削減できることを管理部門に示しました。」 今日に至るまで、業界全体での標準パネルサイズは18x24です。 ジョンは品質および信頼性グループに移り、最終的には基板とコンポーネントを含む全サプライヤー品質エンジニアリンググループを管理しました。 「リットンを離れた後、私はアンビテックに移り、最初は品質管理部門のディレクターとして、その後技術マーケティングおよびビジネス開発のディレクターとして勤務しました。そこからメリックスに移り、そして現在はISUの北米セールスのシニアVPとしての職に就いています。私のポジションは実際には北米を超えています。なぜなら、今や誰もがとてもグローバルになっているからです。私たちのフィールドアプリケーションエンジニアは私に報告し、私たちは会社のR&Dおよび技術スタッフに対して意見を提供します。そして、私たちのFAE全員が、製造または電気に関する実地経験を持っています。 私がこれまでに行ってきたことはすべて、今私がしていることにつながっています。私が担当した各ポジションで、私は新しいことを学びました。私はただ、自分の経験と専門知識を積み重ねてきただけです。 ISU Petasys ISU Petasysは1972年に設立され、韓国大邱の達城郡に本社を置いています。ジョンは説明します。「1987年から1997年にかけて、韓国の工場の規模を倍増させました。最初の工場を複製して第2の工場を建設したのです。ビジネス継続計画の観点から、2つの建物は互いに鏡像のような関係にあり、もし一方の建物が何らかの形で損傷した場合でも、もう一方で業務を継続できます。2000年にはカリフォルニアに工場を開設し、2013年には中国長沙に拠点を置く湖南（MFSテクノロジー）を買収しました。湖南は主流の技術を扱っていますが、韓国やカリフォルニアで行っているような複雑さのレベルではありません。2015年には、第1工場や第2工場に物理的なスペースがなかったため、最先端のめっき設備を収容するための第3の建物を韓国に建設しました。 他の記事で指摘されているように、PCB製造会社は、私たちが非常に依存するようになった消費者向けデバイスを製造する、数十万人の従業員を持つ巨大企業であることがあります。 ジョンは言います。「私たちは約5億ドルの収益を上げており、業界で30位程度に位置しています。自動車製品、パッケージ基板、携帯電話技術、ハンドセット技術など、大量生産製品を製造する巨大企業があります。」 「私たちが製造するものは、今日世界で製造されている最も複雑な多層PCBを代表しています。これらは、テレコム、サービスプロバイダー、そしてクラウドタイタンのデータセンターの中核インフラで使用される製品です。私たちの核となる強みは、高性能な スイッチングおよびルーティング領域です。図1は、私たちのルータースイッチボードの一つの写真です。今日において、私たちは3大テレコルーティングハードウェア会社すべてに製品を提供している唯一のサプライヤーであると信じています。私たちは、世界で最も大きな高性能多層製造業者の一つです。プリズマーク（ニューヨーク州コールドスプリングハーバーに拠点を置く電子業界のコンサルティング会社、Prismark Partners LLC）が数年前に行った研究では、当時私たちは超高性能PCB収益で第2位にランクされていたと信じています。その研究の目的で、高性能は20層以上のものとして分類されました。図2は、私たちの36層高性能コンピューティングボードの一つの写真です。 記事を読む
LTE + GNSS Asset Tracker パート2 LTE + GNSS Asset Tracker パート2 1 min Blog 今回のブログは、LTE GNSS Asset Trackerプロジェクトの第2弾です。パート1では、プロジェクトに適したコンポーネントを特定し、回路を設計しました。パート2では、PCBのレイアウトと配線を行ってプロジェクトを完成させます。 前回の記事で、高密度基板を作るため、この基板をできるだけ小さくするという目標を述べました。配線には6層が必要になるだろうと考えています。ただし、基板の全体的なサイズは、設計者の希望にかかわらず、最も大きいコンポーネントによって決まります。18650リチウムイオン電池ホルダーとLTEアンテナにより、この基板のフットプリントが定義されます。LTEアンテナには、スペースおよびレイアウトについて特有の要件があり、この要件と18650電池を組み合わせて長さが決まります。また、LTEアンテナのみで幅が決まります。 プロジェクトはまだ比較的小さく、コンポーネントの配置に関する限り、予想されるサイズより大きいほど、エンジニアリングのトレードオフを少なくできます。 レイアウトおよび配線に進む前に、繰り返しになりますが、この記事のパート1で述べた内容を振り返ります。このプロジェクトはオープンソースであり、ソフトウェアの変更または再頒布の要件が最小限のMITライセンスの下で使用できます。プロジェクトファイルは GitHubにあります 。このプロジェクトのコンポーネントは、私のオープンソースの Altium Designer®コンポーネントライブラリである Celestial Altium Libraryにあります。このプロジェクトを基にしてご自分のプロジェクト/製品を新たに開発することも、必要に応じてプロジェクトの一部を使用することもできます。 レイヤースタック これをRF基板と仮定した場合、基板上に最初に設定するのはレイヤースタックです。RFトレース向けに適した小さいトラックを配置するには、少なくとも4層にする必要があります。このプロジェクトでは、 CC1125サブ1GHzトランシーバープロジェクトで使用したレイヤースタックと同じものを使用する予定です。レイヤースタックとインピーダンスのセットアップガイドは、そちらのプロジェクトの記事でご覧ください。 このプロジェクトとサブ1Ghzプロジェクトとの違いは、今回は対称的なスタックアップを使用しない点です。最上位レイヤーの下にプレーン層が、最下位レイヤーの上に信号層があります。Altium Designerは、デフォルトでは対称スタックを使用するため、レイヤーのいずれかを変更すると、一致するレイヤーペアがプレーンまたは信号に変更されます。 この機能を無効にするには、[Board] 記事を読む