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PCB設計者

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高速PCB設計においては、グラウンドプレーンのギャップを横切ってはいけません 高速PCB設計においては、グラウンドプレーンのギャップを横切ってはいけません 電子機器やPCBのフォーラムをよく閲覧していますが、同じ質問が何度も何度もされています。なぜグラウンドプレーンの割れ目を越えてトレースを引いてはいけないのか？この質問は、ハイスピードPCB設計にちょうど足を踏み入れたばかりのプロのデザイナーからメーカーまで、誰もが尋ねます。プロの信号完全性エンジニアにとって、答えは明らかでしょう。 長年のPCBレイアウトエンジニアであろうと、たまにデザインする人であろうと、この質問への答えを理解することは役立ちます。答えは常に絶対的な表現で枠付けられます。PCB設計の質問に絶対的な用語で答えることはあまり好きではありませんが、この場合は答えが明確です：グラウンドプレーンの隙間を越えて信号をルーティングしてはいけません。さらに詳しく掘り下げて、なぜグラウンドプレーンの隙間を越えてトレースを引いてはいけないのか理解しましょう。 グラウンドプレーンの隙間：低速および高速設計 この質問に答えるには、DC、低速、高速での信号の振る舞いを考慮する必要があります。これは、各タイプの信号がこの基準面で異なるリターンパスを誘導するためです。信号がたどるリターンパスは、基板内で生成されるEMIに及ぼす重要な影響、および特定の回路がEMIに対してどれほど感受性を持つかについて、いくつか重要な影響を及ぼします。PCB内でリターンパスがどのように形成されるかをよりよく理解するために、 この記事と、Francesco Podericoからの 役立つガイドをご覧ください。 PCB内でリターン電流がどのように形成されるかを理解すれば、それがEMIと信号の整合性にどのように影響するかを見るのは簡単です。ここで重要な理由です—そしてそれはグラウンドプレーンのギャップを越えるルーティングに関連しています。ボード内のリターン電流によって形成されるループは、2つの重要な振る舞いを決定します： EMIの感受性。回路内の供給電流とリターン電流によって作られるループは、ボードのEMIに対する感受性を決定します。大きな電流ループを持つ回路は、より大きな寄生インダクタンスを持ち、放射されるEMIに対してより感受性が高くなります。 スイッチング信号におけるリンギング。回路内の寄生インダクタンスは、信号がレベル間で切り替わる際の 過渡応答の減衰レベルを決定します。回路内の寄生キャパシタンスと併せて考えると、これら二つの量は過渡応答の自然周波数と減衰振動周波数を決定します。 DC、低速、高速信号を詳しく見てみましょう： DC電圧/電流 基板がDC電源で動作する場合、リターン電流は信号トレースの直下ではなく、供給リターンポイントに直線的に戻るため、リターンパスを実質的に制御することはできません。これは、大きな寄生インダクタンスのために基板がEMIに弱くなることを意味します。電源が切り替わらないため、過渡振動がないと思われがちですが、マイクロストリップトレースがグラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングされている場合でも、EMIの感受性の問題は依然として存在します。DCループのインダクタンスをできるだけ低く保つべきであり、ループインダクタンスを減らすためには、グラウンドプレーンのギャップを越えるルーティングを避けるのが最善です。 低速信号 DC信号と同様に、リターンパスは回路のループインダクタンスを決定し、これが EMI感受性および過渡応答の減衰を決定します。ループインダクタンスが大きい場合、減衰率は低くなり、DC信号の場合と同様に、グラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングするとループインダクタンスが増加し、信号の整合性、電力の整合性、およびEMIに影響を与えます。 残念ながら、低速信号はある種の遺物であり、TTL以上の速度のロジックを使用するすべてのボードは高速回路として振る舞います。低速信号（一般に数十nsの立ち上がり時間とそれより遅い）では、特定の回路のリンギング振幅は通常、低く抑えられていたため、気づかれないことが多かったです。したがって、信号がグラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングされない限り、ループインダクタンスは通常、激しいリンギング、EMI感受性、および関連する電力整合性の問題を防ぐのに十分に低かったです（下記参照）。 高速信号 低速で動作するように設計された基板に高速信号を流すと、与えられた回路ループのインダクタンスに対して、リンギングの振幅が大きくなります。これは、基板内のループインダクタンスをできるだけ小さく保つ必要性を再び示しています。目標は、与えられた相互接続においてリンギングの振幅を減少させるために、できるだけ多くの減衰を提供することです。再び、グラウンドプレーンのギャップを越えてルーティングすることで、ループインダクタンスの増加を避けることができます。さらに、高速回路を運ぶ信号層の下にグラウンドプレーンを配置することで、相互接続全体を通じてループインダクタンスができるだけ低くなるようにする必要があります。
静的および動的フレックスPCB設計の比較：機械的考慮事項 静的および動的フレックス設計の比較：リジッドフレックスPCBの曲げ半径およびその他の機械的考慮事項 静的および動的なフレックスPCBの設計は、電気的な側面だけでなく、機械的な側面も同じくらい重要です。ここでは、両タイプのPCBに対する設計のヒントをいくつか紹介します。
多層PCB基板用のFR4代替材料の選択 Thought Leadership 多層基板用のPCB基板材料としてのFR4代替品の選択 次の多層PCBにFR4を選ばなくても大丈夫です。他のPCB基板材料の選択についてもっと読む。
過去と未来の技術、プリントエレクトロニクス プリントエレクトロニクス：過去と未来の技術 プリントエレクトロニクス（PE）は、新しく急速に成長している相互接続ビジネスです。その起源は、家電製品用のプリントフレキシブルキーボードや、派手な雑誌や文献での技術の拡大にあります。PEの皮肉な点は、この技術が恐らく第二次世界大戦中に最初に使用され、すべてのプリント回路がその起源をPEに負っていることです。 アプリケーション PEについて最もエキサイティングなことは、それが開く新しいアプリケーションと市場の全てです。図1には、現在PE開発者によって追求されている市場のうちの10つが示されています。これらの市場の大多数において、アプリケーションは短命であり、実際のPE基板は使い捨て可能です。フレキシブルキーボード、プリントグルコースセンサー、プリントRFIDタグなど、いくつかのアプリケーションは既に確立されています。一方で、プリントバッテリーと電気泳動電解質で動く化粧品用しわクリームマスクなど、このリストにさえ載っていないものもあります。 材料 材料はPE開発者にとって依然として主要な課題です。多くのPEアプリケーションがコストに敏感であるため、現在の銀の導電性インクやポリイミドフィルムの絶縁体は、そのアプリケーションにとって高すぎます。現在の絶縁体候補は表1に、導体は表2に示されています。 研究では、基板としてのナノテクノロジーがガラス、プラスチック化紙、PET、導体としては銅、グラファイト/グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）を支持しているようです。 表2: 印刷エレクトロニクスに適した導電材料とインク 製造プロセス 印刷エレクトロニクスは、雑誌のような低コスト印刷を想起させます。その技術は、私たちの最も古く、最も自動化された技術の一つです。しかし、図2に示されている他の印刷技術もあります。 インクの印刷方法は、その解像度（マイクロン単位）と秒速平方メートルでのスループットの機能として特徴づけられます。 印刷に関するより詳細な表は表3に示されています。それは速度、解像度、フィルムの厚さ（マイクロン単位）、および使用できるインクの粘度をリストしています。 設計ツール Altium Designer® 19にアップグレードした場合、プリントエレクトロニクスの設計が可能であることに気付いたかもしれません。これは幸運なことです。なぜなら、多くのアイデアや革新的な電子機器がプリントエレクトロニクスの基板の形を取る可能性があるからです。3Dプリンティングは現在、銀ペーストや様々な絶縁体、抵抗性および容量性インクを使用してプリントエレクトロニクスを作成することができます。近い将来、半導体（P型およびN型）インクやOLEDペーストも利用可能になるでしょう。技術がより一般的になるにつれて、他の特殊インクや紙に似た改良された基板も開発されるでしょう。 プリントエレクトロニクスに関する包括的で詳細な説明については、Joseph Fjelstadの電子書籍「Flexible Circuit Technology-Fourth
Altium Designerで作成されたボードのインピーダンス制御ルーティング Altium Designerで作成されたボードのインピーダンス制御ルーティング Altium Designerの3Dフィールドソルバーは、インピーダンス制御ルーティングを簡単に行えるようにし、システムのための設計ルールを作成することができます。
統合ツールがマルチボードPCBシステム設計を容易にする方法 統合ツールがマルチボードPCBシステム設計を容易にする方法 コンピューターを分解したことがあるなら、システム全体が単一のPCBに収まるわけではないことを知っているでしょう。さまざまなアプリケーションで使用される最も複雑なデバイスはマルチボードシステムであり、これらのシステムを設計するには想像力、計画、そして適切な設計ソフトウェアが必要です。 リジッドフレックスPCBは、マルチ回路ボードシステムの別のタイプに過ぎず、ボードの各部分を設計する際の同じ設計コンセプトが、それらを接続するフレックスリボンにも適用されます。すべてのマルチボードシステムがリジッドフレックスシステムである必要はありませんが、設計ソフトウェア内でボード間の接続を設計する必要があります。統合設計環境で最高の設計ツールを使用すれば、どのタイプのマルチボードシステムも簡単に設計できます。 マルチボード設計における機能ブロック マルチボードPCB設計を最初に作成するときは、スキーマティックを構築する前に、システムの30,000フィートビューから始めるのが最善です。マルチボードシステムは、単一のシステムにさまざまな機能を組み込みます。システムのブロック図を作成すると、システム内の異なる機能がどのように機能ブロックに分けられるかがより簡単に見えます。 ブロック図で機能ブロックが分離されているように、マルチ回路基板システムでは異なる機能ブロックを異なる基板に分けることができます。コンピュータの動作を考えると、表示、メモリ、ネットワーク接続、その他必要に応じた機能用の異なるカードがあります。 機能ブロックに基づいて異なる基板に機能を分離することは、各基板の適切なレイヤー数を決定するのにも役立ちます。すべてを一つの基板に組み込む場合、システム全体で最大レイヤー数をデフォルトにする必要があります。代わりに、基板が分離されている場合、異なるブロックでレイヤー数を少なくすることができ、全体の製造コストを下げることができます。システム内の一部の基板では、高レイヤー数の多層基板に HDIデザインが必要になる場合がありますが、他の基板は単純な4層基板で十分に機能します。 パッケージ仕様は、マルチボードシステム設計における各基板のサイズと形状を制限します。パッケージが何らかの方法で曲がる必要がある場合は、複数の基板を接続するためにフレックスリボンを使用する必要があります。それ以外の場合は、銅線を使用した標準的なコネクタとケーブルでシステム内の基板を接続できます。 3D設計ツールは、優れたマルチボードシステムを構築するのに役立ちます 痛みの原因を知る PCB設計ソフトウェアがIC設計など他の領域ではなく、マルチボードPCB設計に実際に焦点を当てている場合、マルチ回路基板および リジッドフレックスシステムを設計するための専門ツールが含まれます。これには、単一のプロジェクト内でシステム内の各ボードの構造をカスタマイズできるスタックアップマネージャーが必要です。ほとんどの設計プログラムでは、複数の設計プロジェクト間で前後に切り替える必要があり、これにより重要なシミュレーション、分析、および検証機能が実質的に無用になります。 マルチボードシステムの設計をリジッドフレックスボードとして作成することにした場合、レイヤースタックアップマネージャーは、フレックスリボンをPCBの別のセクションとして、固体銅層またはクロスハッチ銅として、電力、グラウンド、および信号を簡単にリンクできるようにする必要があります。これはすべて、単一のプロジェクトおよび単一のプログラム内で行われる必要があります。これにより、設計機能が視覚化、分析、およびルールチェックツールと直接統合されることを保証します。 デザインの検証は、要求に応じて設計ルールに対するチェック以上のものです。複数の回路基板やリジッドフレックスシステムを扱う場合、潜在的な信号問題を診断するための統合シミュレーションと、フォームファクターを検証するための3Dビジュアライゼーション機能が必要です。他のPCB設計プラットフォームでは、これらの機能をアドオンとして購入する必要があり、これらのアドオンは単一のプログラムに直接統合されません。依然として設計モジュール間を移動する必要があり、これは生産性を低下させ、データエラーの大きなリスクを生み出します。 最高のマルチボード設計ツール マルチボードおよびリジッドフレックスシステムを扱うには、ボードが単一のシステムにどのように同期するかのアイデアを得ることができる3D設計およびビジュアライゼーションツールが必要です。機械設計チームと電気設計チームは、各エリアの設計プログラムが統合されていなかったために、互いに孤立していました。 MCADとECADの機能を単一のプログラムで統合するソフトウェアを使用すると、各領域の設計者が協力して、デバイス全体に最適なボードサイズ、配置、および機能性を決定でき、全体的な設計プロセスを合理化できます。 本格的なMCAD/ECADコラボレーションにより、PCBデザイナーは機械設計者やDFMエンジニアと協力して、3Dモデル内で基板を分析することができます。これにより、製造ラインを離れる前に衝突を防ぐことが容易になります。設計チーム間でファイルが受け渡される反復的な設計プロセスを使用する必要はありません。代わりに、製品の3Dモデルを.STEPファイルで組織全体で共有でき、設計プロセスに関わる全員が単一のプログラムで設計作業を行うことができます。 階層的な回路図で設計をサポートするPCB設計ソフトウェアを使用すると、マルチボード設計がはるかに簡単になります。デバイスを異なる機能ブロックに分割する際、各ブロックに独自の回路図を割り当て、ブロック図のように簡単に回路図をリンクさせることができます。それから、設計の各部分を異なるPCB上でキャプチャし、マルチボードシステム設計が実際に形になるのを見ることができます。 フレックスリボンを使用して基板間の接続を構築することにした場合、リジッド領域とフレックス領域を定義し、フレックスリボンがリジッドセクションの内部層にどのようにリンクするかを定義できるレイヤースタックアップマネージャーが必要です。CADツールは、2Dおよび3Dでボードの配置を簡単に視覚化できるようにする必要があり、ルーティングツールはフレックスリボンを介して相互接続を非常に簡単にルーティングできるようにする必要があります。
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