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ブラインド・ビア、バリード・ビア、スルーホール・ビアがPCB設計に与える影響 ブラインド・ビア、バリード・ビア、スルーホール・ビアがPCB設計に与える影響 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 子供の頃、私はスーパーマリオのすべてに夢中でしたが、正直、誰もがそうでしたよね。特に、スーパーニンテンドーの古い学校版にはまっていました。プラットフォームからプラットフォームへと跳ねること、ピクセル化されたカメの甲羅を投げること、プリンセスを救うこと…なんて人生でしょう。ゲームの中で最高で、少し変わった部分は、あちこちにあるように見える小さな緑のチューブを出入りすることでした。それらを作ったのは誰？そもそもなぜそこにあるのか？ 奇妙なことに、ほぼ一生の後、私は回路基板を見つめ、まったく同じ質問を自問していました。どこにも繋がっていないように見える小さな穴が、グラウンドプレーンやはんだマスクの上に文字通り散乱していました。ここで登場するのが、ブラインドビア、バリードビア、スルーホールビアです。 私たちが、世界が私たちの設計をより小さなスペースに押し込めようとしているという事実について話し続けるにつれて（同じ話、違う日）、これらの世界的な要求を満たすことを可能にする新しくてエキサイティングな技術的および製造上の進歩を学び続けます。多層ボード（高層カウント）の積層からフォームファクターの変更まで、ブラインドビアやバリードビア、そしてスルーホールビアを導入することで、さらに一歩踏み出します。 ブラインドビアとバリードビア：一歩進むか、毒キノコか？ それぞれの緑の管がどこに繋がっているのかを発見しようとする過程で、どの秘密の部屋にたどり着くかわからないのが、半分の楽しみだったのではないでしょうか？恐れることはありません。スーパーマリオが緑の管から緑の管へと推測を続けさせることが目的であったとしても、HDI PCBを設計することは（願わくば）まったく逆です。厚い戦略書を見ることなく、PCB全体に穴を開ける場所と理由を正確に知るべきです。 ビアは、PCB層のトレースを通して穿孔され、別の層の別のトレースに接続するためだけの穴です。これらは、各層を何らかの方法で接続する必要がある多層PCBによく存在します。 多層プリント基板に組み込むことができるビアには、3つの異なるバージョン（ブラインドビア、バリードビア、スルーホールビア）があります： ブラインドビア：これらは、プリント基板の外層を内層に接続しますが、それ以上は進みません。したがって、4層のPCBがある場合、最初の2層にはトレースを通して穴が開けられますが、3層目や4層目には開けられません。 埋め込みビア：これらは、2つ以上の内部層を互いに接続します。再び、4層のPCBでは、第2層と第3層がドリルで穿たれて接続されますが、外側の層である第1層と第4層には穴が開いておらず、基板上では単に空白のスポットのように見えます。 スルーホールビア：今お分かりの通り、これらは文字通り「全体のボードを通して」穿たれ、外側の第1層と第4層を接続します（または4層を接続する他の組み合わせ）。 適切なビアの理解が設計の成長を促進します プリンセスを救うという壮大なミッションには重要でないように見えたこれらの緑のチューブは、中に飛び込んだり出たりするのがとても満足できる以外に利点はないようでした。一方、ビアは多層PCBにおいて重要な役割を果たします。 時代が進むにつれて、そして今日このごろの「小さいほうが良い」という考え方の中で、私たちは できるだけ多くのスペースを節約するという課題に直面しています。ビアを使うことで、理論上は、トップレイヤー（そこにはすべてのコンポーネントも配置されています）でスペースを取るトレースルーティングをすべて回避し、必要な配線を第2、第3、あるいは第4レイヤー内で行うことが可能になります。これは、スペースを節約する技術を探している一部の設計者にとっては神の恵みかもしれません。 ブラインドビア、バリードビア、またはスルーホールビアをボードに実装する際に得られるもう一つの利点は、トレース間の寄生容量が低下し、それが設計に深刻な影響を及ぼす可能性があるのを防ぐことです。この寄生容量の低下は、トレースリードを短縮することで実現された改善によるものです。必ずしも主な理由ではありませんが、正しく設計されていれば、ビアを設計に追加することで確実に利益を得ることができます。 ビア適用前のその他の考慮事項 席から飛び上がってどこにサインすればいいか探しているかもしれませんが、ビアを設計に取り入れることのいくつかの欠点があるため（なぜいつも欠点があるのでしょうか？）、ちょっと待ってください。 ビアと 多層基板は密接に関連しており、複数の基板に何かを行う場合、コストの考慮が必要になります。これには、1枚だけでなく、2枚、3枚、さらには4枚の基板を正確に同じ位置で貫通するビアの穴のドリル加工が含まれます。ドリル加工と積層のプロセスにわずかな公差エラーがある場合、基板は事実上使用不可能になります。 記事を読む
マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール 1 min Thought Leadership PCB設計者 システムエンジニア/アーキテクト PCB設計者 PCB設計者 システムエンジニア/アーキテクト システムエンジニア/アーキテクト 楽しい時間は早く過ぎると人は言います。私がマルチボードPCBを設計しているときに、時間がなかなか過ぎないように感じるのはそのせいかもしれません。 EMIの回避、 すべての正しい接地、 静電放電の軽減、 配線の最適化などを考えると、単一基板の設計でさえ大変なのに、物理的にも電気的にもすべてを適合させなければならないPCBシステムの設計となると、苦痛の限界が試されているように感じるときもあります。ところが幸いなことに、マルチボードの回路図の作成を懲罰から楽しみに変えてくれるツールが登場しています。このツールには基板間の接続、MCADインテグレーション、モジュールの組織化という 全般的なPCB設計に役立つ3つの機能がありますが、これらは特にマルチボードのPCBに有用です。まず、基板間のルールチェックは悪夢のような作業になるばかりでなく、基板を台無しにしてしまう可能性もあります。ところが、このツールを使用すると、異なる基板全体でのトレースの接続が単純化され、土壇場の変更があったときにも大いに役立ちます。次に、インタラクティブなモデルによって煩わしいクリアランスチェックが容易になり、すべてを整合させて筐体に収めることができます。最後に、モジュールの組織化では、過去に設計した基板やコネクターを使って、新しい回路を作成できます。 MCADとの統合 使っているプログラムに3Dモデリングツールを組み込んだところで大したことはないようにも思えますが、実際には設計プロセスに大きな違いをもたらすことができます。PCBのモデリングにMCADを使用することで、巨額なコストにつながるミスを回避できるほか、試作や製造に基板を安心して送れるようにもなります。別の場所にいる機構技術者が使っているツールがご自分の手元にあれば、基板を設計する方法が激変するでしょう。それがどのように実現するかを見ていきましょう。 3Dクリアランスチェック 基板を設計した後に試作品が高額になったり、製造の工程で基板が筐体に収まらなかったりしたことはありませんか? 私は一度そのような経験をしましたが、それは試作に送る直前に電解コンデンサーを設計に追加したときのことでした。後になって、クリアランスの計算が少し間違っていたことがわかったため、機構技術者に設計データを送ってモデリングとチェックをしてもらってから、モックアップに戻しました。製造の工程でそのようなミスが見つかってしまったら、上司に何と説明すればよいでしょう。クリアランスチェックはリスクが高くなりますが、特にマルチボードのPCBの場合はそれが顕著です。非常に高額な3Dパズルのようにすべてを適合させ、それを筐体に収める必要があります。筐体は社内のスタッフが設計する場合もあれば、そうでない場合もあります。私は自分のことを出来の悪い設計者だとは考えていませんが、使っているシステムの3Dモデルがなければ、気付きにくいミスをしてしまうでしょう。 いつでも可能なモデリング 今では大半の設計者が基板のコンピューターモデルを使っていますが、それらを構築するのは設計者ではなく、通常は機構技術者の仕事です。とはいえ、別の人に変更を何度も送ることなく、設計者自身がモデルを作ってクリアランスチェックができるとすればどうでしょう? これは、MCADプログラムを勉強して文字通りにすべて自分で作業をする、という意味ではありません。私が言いたいのは、 回路基板ソフトウェアに仕事をしてもらうということです。これを実現するのは、高度に統合されている優れたMCADツールです。現在では、個々のコンポーネントの3Dモデルを生成し、すべての要素を含む基板のモデルを作成できるツールが提供されています。高度なツールであれば、筐体の3Dモデルをインポートし、クリアランスチェックを実行できるものもあります。こういった機能があれば、誰かを間にいれることなくMCADを自分で進めることができます。たとえば、電解コンデンサーが適合しているかどうかも、ボタンを数クリックするだけで確認できます。 基板間のエレクトリカル ルールチェック エレクトリカル ルールチェックはソフトウェアによって自動的に基板レベルで実行されるため、通常はそれほど面倒なものではありません。とはいえ、接続が複数の基板にまたがる場合、接続を追跡するのはほぼ不可能です。システム全体をチェックし、電気的にも機械的にもすべてが適合しているかどうかを確認できるプログラムはごくわずかです。これが可能なツールでは、さまざまな基板にまたがってルールチェックを実行できるため、設計中のすべての準備を整えることができます。また、筐体の変更や他の外部的な要因によって、PCBで大幅に接続を修正しなければならない場合の再設計にも大いに役立ちます。 開発中のエラーチェック 記事を読む
プリント基板に適したソルダーマスクの選び方 プリント基板に適したソルダーマスクの選び方 1 min Blog PCB設計者 電気技術者 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 編集クレジット: CREATISTA / Shutterstock.com ハロウィーンが近づくとともに、寝ても覚めても衣装のことで頭がいっぱいになり、仕事どころではありません。今年は、かなり凝ったフェイスペイントが必要になるので、適切にペイントする方法をあれこれ検索しています。ペイントのレイヤー、色、種類ごとに、適切にペイントするための道具やタイミングが必要です。何の説明書も読まずに予行演習した結果、ペイントした部分が剥がれ落ち、それ以外の部分は完全にそのままでした。ひどいフェイスペイントのために短絡が発生しそうにはありませんが、ソルダーマスクで同じような状況を目にしたことがあります。最近はソルダ―マスクにも複数の色があります！ソルダーマスクのタイプと厚さの選択は、できのよいフェイスペイントの場合と同様に、優れた製品を作るために重要です。そして、失敗するとさらに多くの費用がかかります。 ソルダーマスクとは ソルダ―マスクは、プリント基板の金属部分の酸化を防ぐため、また小さい半田片が望ましくない場所に付着してソルダーパッド間に「ブリッジ」が形成されるのを防止するために使用されます。リフロー、またはソルダ―バスが使用されている場合、それらの技術は、接続すべきでない場所で半田片が接続しないよう十分に制御できないため、プリント基板製造において重要なステップになります。ソルダ―マスクは「ソルダーレジスト」とも呼ばれます。私自身は、ソルダ―マスクは基板に適用された半田のレイヤー全体であると考えていたので、後者のほうがよい呼び方だと思います。 プリント基板へのソルダ―マスクの適用方法 ソルダ―マスクは、プリント基板の金属配線全体に適用されるポリマーレイヤーです。 マスクの素材はさまざまな種類があり、いずれが最適かはコストと用途によって決まります。最も基本的なソルダ―マスクは、シルクスクリーンを使用してプリント基板全体に液状エポキシをプリントします。これは、ステンシルを使ってエアブラシでフェイスペイントを塗るようなものです。 より手の込んだタイプでは、ドライフィルムや液状ソルダ―マスクを用いて感光するソルダ―マスクがあります。液状感光性ソルダーマスク（LPSM）は、エポキシと同様のシルクスクリーンプリントや、多くの場合低コストですむ表面へのスプレーが可能です。ドライフィルム感光性ソルダーマスク（DFSM）は、気泡による不具合が生じないよう、基板に真空積層させる必要があります。いずれの感光性ソルダ―マスクも、パッドがコンポーネントに対して半田付けされ、焼付の過程あるいは紫外線照射によって硬化する箇所がマスク内にないように形成されます。 ソルダ―マスクは、エポキシ、または感光性ポリマーとして適用されます。 どのソルダーマスクを使用すべきか 最適なソルダ―マスクは、基板、穴、コンポーネント、導体の物理的な寸法や、表面のレイアウト、製品の最終用途によって決まります。 まず、航空宇宙、通信、医療、あるいはその他の「高信頼性」が要求される分野で使用されるプリント基板の場合は、ソルダ―マスクに関するその分野での基準や、一般的な用途に関する基準を確認します。インターネットで見つかるようなその他の要件より優先される特定の要件があります。 最近の多くのプリント基板設計では、 感光性ソルダ―レジストをお勧めします。液状とドライのどちらを使用するかは、表面形状によって決まります。ドライマスクは、表面全体に均一の厚さで形成されます。ただし、基板の表面が非常に平らな場合に最もよく付着します。表面形状が複雑な場合は、液状（LPISM）オプションの方がトレースの銅箔や積層によく付着し、よい結果を得られるでしょう。液状オプションの欠点は、基板全体で厚さが完全には均一にならない点です。 マスクレイヤーにはさまざまな仕上げを施すこともできます。可能な処理および製造への影響について、製造業者と話してください。例えば、半田リフロープロセスを使用している場合、マット仕上げにより半田ボールを減らすことができます。 半田リフロープロセスを使用して製造されたプリント基板には、ソルダ―マスクが必要です。 マスクの仕上がりは、リフローの品質に影響する可能性があります。 記事を読む
最新の製造設備でPCBに基準マークを配置する必要はあるか 最新の製造設備でPCBに基準マークを配置する必要はあるか 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 設計における基準マークの配置忘れは、ある種の「ホラー」です。 10年前、筆者はホラー映画鑑賞をやめました。若いときは単純に恐怖感を心から楽しみましたが、技術者としてのキャリアを開始するとともに、興味はアクションやSFに移りました。これはおそらく、仕事上の単純なミスが製造後の悲惨な悪夢につながったホラーストーリーを相応に経験していたからだと思います。 筆者が電子機器設計の仕事を始めた頃、 スルーホールコンポーネント が非常に一般的で、 表面実装コンポーネント を目にすることはめったにありませんでした。マイクロコントローラー（MCU）のQFP（Quad Flat Package）が一般的になると、古い プラスチック リードチップキャリア（PLCC） のフットプリントから移行せざるをえませんでした。これは、QFPがPCBに直接実装できる一方、PLCCは追加ソケットを必要としたためです。チップ製造業者が、QFPや類似のパッケージを支持し、PLCCパッケージのMCUの製造を中止するのはもう時間の問題だと思いました。 PCB実装業者から、200枚の生産用基板のMCUを実装できないとの電子メールを受け取ったときに、悪夢が始まりました。スルーホール コンポーネントであるPLCCソケットに慣れていたため、筆者はPCBに基準マークを配置することに思い至りませんでした。基準マークを配置しないということは、狭いピッチでQFPにパッケージされたMCUを全て手作業で実装しなければならないことを意味しました。 その結果、かなりの割合の基板が不良品となり、不完全な手作業によるはんだ付けの欠陥を修正するためにとてつもない時間を費やすことになりました。それ以来、業者から、基準マークなしでも製造できる機械にアップグレードしたとの連絡を受けていても、筆者は設計に必ず基準マークを使用するようにしています。 基準マークを省略すると、ひどい基板ができあがる可能性があります。 基準マークの概要とその製造時の役割 PCB設計において、 基準マーク はpick 記事を読む
最高のデスクトップリフローオーブン PCB組立てのための最適なデスクトップリフローオーブンの選び方 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 TRANSLATE: デスクトップリフロー炉は、幅広い価格帯があります。 では、どの機能を目指すべきでしょうか？ この記事でデスクトップリフロー炉についてもっと学びましょう。 記事を読む
高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離 高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離 1 min Blog PCB設計者 電気技術者 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 高電圧の応用には、通常のPCBよりも厳しい設計パラメータが必要になる 大学生のとき、私は電気化学エッチングの実験を行いました。その経験をずっと履歴書に記載していたのは、高電圧源や危険な化学品を使った実験について、面接官が必ず話を聞きたがったからです。ところが、危険な職場環境をまったく意に介さない人間が求められる仕事には就きたくないと後になって気付きました。 それがきっかけで、私は高電圧設計について学び始めました。高電圧の製品に要求される基準には圧倒されましたが、それと同時に安心もしました。私たちが作成した高電圧製品を大学院生たちが使うのを止めることはできないものの、基板がきちんと保護されているのが分かれば心配する必要はありません。 安全の確保にあたって、特定のスペースルールが必要になる場合とは 高電圧PCB設計に必要となる厳しいスペースルールは、すべてのPCB設計に適用されるわけではありません。一般的には、製品の通常の作動電圧が30VACまたは60VDC以上になると、基板設計に スペースルールを適用すべきでしょう。特に、高電圧で密集した設計の場合は慎重になる必要があります。密集したデザインではスペースが極めて困難になり、保護の観点からさらに重要になるからです。 高電圧設計ではスペースがさらに重要になります。基板全体の電圧によって、PCBの導電性要素間でアーク放電が発生しやすくなるからです。発生したアーク放電は、製品にもユーザーにも極めて大きな危険をもたらします。こうした危険を軽減するために、空間距離と沿面距離という主に2つのスペース測定の基準があります。 空間距離とは 空間距離とは、2つの導体間の空間の最短距離を指します。私はこの定義をあき高（つまり、自分の頭が何かにぶつかる前に、どのくらいの空間があるか）として覚えています。 PCBの空間距離が短すぎると、基板上で隣接する導電性要素間で過電圧によるアーク放電が発生する可能性があります。 クリアランスルールは、PCB材料、電圧、環境条件によって異なってきます。環境による影響はかなり大きくなります。最も一般的には、湿度によって空間の破壊電圧が変化し、アーク放電が発生する可能性に影響が及びます。ここでは、粉塵についても考慮しなければなりません。PCBの表面に集まった微粒子は時間とともにトラックを形成し、導体間の距離を縮めてしまいます。 アーク放電は製品に損傷をもたらし、ユーザーに被害を及ぼします。 基板でのスペースが重要な設計パラメータになるのはこれが理由です。 PCBでの沿面距離とは 空間距離と同様に、 沿面距離もPCB上の導体間の距離を指しますが、こちらは空間の距離ではなく、絶縁材の表面に沿った最短距離になります。沿面距離の要件は環境や基板の材料によっても異なり、空間距離と同じく、基板上に蓄積した水分や微粒子によって沿面距離が短くなる場合があります。 密集した設計では、沿面距離の要件を満たすことが困難になり得ます。トラックを移動させることが第一の選択になることは稀であり、表面の距離を延ばすには他にいくつかの方法があります。それは、トラック間にスロットを追加するか、または絶縁物に垂直の障壁を実装することです。いずれの方法でもトレースのレイアウトを変更することなく、沿面距離を大幅に延ばすことができます。 材料の比較トラッキング指数（CTI） 空間距離と沿面距離の要件のうちで作動電圧の次に重要な要素は、PCB材料の特性に関するものです。材料の電気絶縁性は、比較トラッキング指数（CTI）で示されます。CTIは電圧で表示され、材料の表面がいつ破壊するかを測定する標準テストによって決定されます。 破壊値に基づいて、材料は「0」から「5」までの6つのレベルに分類されます。製品に対する絶縁物の規定レベルは、このCTIの分類に基づきます。最も低いレベルは「5」で、電圧は100V未満となります。破壊値が600V以上のレベル「0」に分類される材料が最も頑丈で、多くの場合にコストも高額になります。 記事を読む
モノのインターネットのハードウェア プラットフォームのフレキシブル化 モノのインターネットのハードウェア プラットフォームのフレキシブル化 1 min Thought Leadership PCB設計者 電気技術者 ハードウェア製造業スタートアップ企業 / エレクトロニクスプロトタイパー +1 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 ハードウェア製造業スタートアップ企業 / エレクトロニクスプロトタイパー ハードウェア製造業スタートアップ企業 / エレクトロニクスプロトタイパー システムエンジニア/アーキテクト システムエンジニア/アーキテクト 子供の頃に熱中したり執着したりしたものを覚えていますか? 私が若かった頃、誰もがポケモンと、子供でも触れる電子機器に熱中していました。これら2つの熱狂はやがて、 たまごっち という最終的な流行に結びつきました。これは大ヒットして、携帯電子機器の人気と、小さく非現実的な動物に対しての子供たちの愛情を生み出しました。最近では、PCBにおける2つの熱狂、すわなちフレキシブル電子回路とモノのインターネット（IoT）が結合しました。自作用開発基板のようなハードウェア プラットフォームはIoTの誕生に役立ち、フレキシブル ハイブリッドエレクトロニクス（FHE）はそのIoTを成熟へ導くために役立っています。技術者は、Arduinoのような大きなブランドと互換性のあるフレキシブルな基板や周辺機器の設計を開始しています。IoT開発者が必要とするコンポーネントを搭載した、使いやすい基板を設計することで、この動向に加わることができます。 フレキシブルなハードウェア プラットフォームの利点 完全フレキシブルおよびリジッドフレキシブルPCBは長年にわたり、 航空宇宙 などハイテク産業に限って使用され、ローバーが他の惑星まで飛行するために役立っていました。しかし今日では、これらのPCBの利点は地球に戻って、開発基板やその周辺機器に利用されるようになっています。フレキシブルなハイブリッド電子機器では、従来型電子機器の低コストや性能と、フレキシブル回路の容積やフォームファクターの利点を組み合わせて活用しています。 一部の組織は 将来の完全にフレキシブルな電子回路 を構想していますが、現在のところはハイブリッドで妥協する必要があります。フレキシブル ハイブリッド電子回路は、フレキシブルな基板に従来型のコンポーネントを実装するものです。従来型の電子機器コンポーネントは長年にわたり、コスト、速度、消費電力の点で高度に最適化が行われてきました。 フレキシブルなアナログ も多少存在しますが、比較すると性能的には見劣りするものです。また、十分に使用され実績のあるチップを使い慣れていることから、デバイスで簡単に使用できます。 しかし、リジッドPCBには多くの欠点があります。主な問題点は曲がらずに折れる傾向があること、サイズ、および動的な圧力を処理できないことです。フレキシブル基板にコンポーネントを取り付けることで、これらすべての問題を解決できます。言うまでもなくFHEは曲がるように作られており、一部のFHEは 200,000回もの曲げ耐性 があります。信頼性に加えて、折り曲げ可能な基板はフォームファクターも小さく、通常のPCBでは収まらないような領域にも折りたたんで収納可能です。 記事を読む