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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 1 min Blog PCB設計者 電気技術者 機構設計者（メカエンジニア） PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 機構設計者（メカエンジニア） 機構設計者（メカエンジニア） 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 記事を読む
インタープレーン容量とPCBスタックアップ インタープレーン容量とPCBスタックアップ 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 この記事は、インタープレーン容量に関する洞察を提供し、PCBスタックアップの設計プロセスに対するガイダンスを提供することを目的としています。技術の進化を時が経つにつれて見ていくことは、PCBスタックアップに対する要求がどのように変化してきたかを見るのに役立ちます。 PCB製造の初期には、ロジック回路が非常に遅かったため、唯一の懸念事項はロジック部品やディスクリート部品間の接続をどのように行い、各部品にDC電力を供給するための経路を提供するかでした。必要だったのは、すべての配線に対して十分な信号層を提供し、DC電力を最小限のサグやドロップで供給するために電力経路に十分な銅を配置することでした。使用されるガラスクロスの種類や、樹脂システム、各ラミネートの厚さは重要ではありませんでした。目標は、はんだ付けプロセスに耐え、信頼性がある最低価格のPCBを提供することでした。 最終的にICは、反射やクロストークなどの問題が重要になるほど高速になりました。これを実現したロジックファミリーはECLでした。当時、ECLの主なユーザーはIBM、Control Data、Cray Researchなどの大手コンピュータ企業でした。これらの企業には、スタックアップを設計するために必要なインピーダンス計算を行うエンジニアが在籍しており、また、公共市場の製造業者がまだ彼らの要件を満たすために必要な製造管理を行う能力を持っていなかったため、自社内にPCB製造施設を持っていました。 1980年代半ばには、当時最も一般的に使用されていたロジックタイプであるTTLが高速化し、反射が問題となり、PCBに制御インピーダンスが必要になりました。TTLやCMOSで設計していたエンジニアのほとんどが、制御インピーダンスPCBをどのように実現するかについての理解を持っていなかったため、彼らは製造業者に既知のインピーダンス、通常は50オームのPCBを提供するよう要求しました。製造業者は、その能力を持っていませんでした。なぜなら、彼らのスキルセットにはめっき、エッチング、積層、穴あけが含まれていたからです。それでも、エンジニアは製造業者にインピーダンス計算を要求しました。筆者はこの時期に活動しており、製造業者がインピーダンスを計算する能力を開発するのを手伝うために多くの時間を費やしました。このタスクにおける彼らのスキルは非常に当たり外れがあり、多くの場合、今日でもそうです。 この後すぐに、並行して走るトレース間のクロストークが問題となり、設計者はトレースがどれだけ近く、横に並び、上下に配置されるかに注意を払う必要がありました。 1990年代半ばになると、速度が大幅に上昇し、100MHz以上で動作する必要がある容量を必要とするため、ほとんどの製品がEMIで失敗していました。電源レールに配置された離散キャパシタでは、その取り付けインダクタンスのためにこの問題を解決できませんでした。これが、インタープレーン容量または埋め込み容量として知られるようになった理由です。インタープレーン容量は、電源プレーンとグラウンドプレーンを非常に近く、通常は3ミル未満に配置することで作り出されます。 したがって、現在、スタックアップ設計には3つの要求があります：制御されたインピーダンス、クロストーク制御、そしてインタープレーン容量の必要性です。一部の製造業者はスタックアップでインピーダンスを正しく得ることができますが、他の2つを考慮する方法はありません。この責任は、必要なものと必要な制御を実装する方法を唯一知っている設計エンジニアにあります。 2000年代半ばまでに、多くの差動ペアの速度が非常に速くなり、ラミネートやプリプレグに使用されるガラス織物がスキューとして知られる現象を引き起こし、信号を破壊することがありました。スキューとは、受信機に到着する際の差動ペアの二つの側面のずれのことです。さらに、ラミネートの損失がこれらの高速信号に影響を与え始め、エンジニアリングチームは損失目標を満たすとともに上記のすべての要件を満たす低損失ラミネートを求めることを余儀なくされました。これらのニーズを満たすための利用可能な材料に関する詳細な議論は、このドキュメントの第3章に含まれています。 上記の理由から、設計エンジニアは設計を主導する必要があります。これを成功させるためには、製造プロセスと材料に関する徹底的な理解が不可欠です。このセクションでは、制御インピーダンス、クロストークの管理、適切なインタープレーン容量の作成、スキューを管理するための正しい織物の指定という4つの制約を満たすPCBスタックアップの設計に関わるすべてのトピックをカバーします。 インタープレーン容量を考慮してレイヤーを配置する 特定の設計において、電源層、グランド層、および信号層の数が決定された後、すべての信号整合性ルールが遵守され、電力供給のニーズが満たされるようにそれらを配置することは、一連のトレードオフです。層間キャパシタンスが必要な場合は、グランド層と電圧層が互いに近接して配置される必要があります。 図2.1 は、10層PCBにおけるルーティング層と電源層キャパシタンスの間のトレードオフの例です。図2.1の左側のスタックアップには6つの信号層がありますが、密接に配置されたプレーンのペアは1つだけです。これはルーティングスペースには良いですが、層間キャパシタンスが必要な場合には電力供給にはあまり適していません。右側のスタックアップはルーティング層が4層しかないです（最も近いプレーンから遠すぎるため、2つの外側層は適切なインピーダンスを達成できませんが）、しかし今はプレーンのペアが2セットあります。これは層間キャパシタンスには良いですが、ルーティングスペースにはそれほど適していません。 図2.1 10層PCBの層を配置する2つの可能な方法。 上記の両方のケースにおいて、すべての信号層は、外側の2層を除いて、ラミネートの断片を通して平面と結合されています。前述のように、これらの層は最も近い平面から遠すぎて、適切なインピーダンスを達成することができません。これらは電源トレースやコンポーネントの取り付けパッドに使用できます。 層の配置が決定されたら、次のステップは、最低のコストで最高の性能を達成するために、各誘電体層の厚さを選択することです。クロストークを最小限に抑えるためには、信号層とその平面パートナーの間の空間に対してSI目標を満たす最も薄いラミネートを選択することが望ましいです。これが完了すると、目標インピーダンスを達成するために必要なトレース幅が計算されます。その後、電力平面間のプリプレグの厚さが、絶縁破壊電圧要件を満たし、隣接する平面の空隙を十分に樹脂で満たすことができるように選択されます。これは通常、3ミル厚の単一ガラスプライで、約2.5ミルに圧縮されます。 図2.1の右側の例では、選択されるべき3つのプリプレグ層が残っています。これらは、スタックアップの中央にあるものと、外層のすぐ下にある2つです。（このスタックアップの外層は制御インピーダンス層として使用できないため、その下の平面上の高さは重要ではありません。）これら3つのスペースの厚さは、最終的な厚さに到達するために材料を追加するために使用でき、これら3つのエリアの厚さの変化はPCBの全体的な性能にほとんど影響を与えません。 記事を読む
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 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 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。 記事を読む
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 1 min Blog PCB設計者 電気技術者 システムエンジニア/アーキテクト PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 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 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。 記事を読む
マイクロビア製造プロセスとHDI基板 マイクロビア製造プロセスとHDI基板 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 初期のHDI製造 高密度相互接続プリント基板に関する取り組みが始まったのは、研究者たちがビアサイズの縮小方法を調べ始めた1980年のことです。最初に革新を起こした人物の名前は分かりませんが、初期のパイオニアには、MicroPak LaboratoriesのLarry Burgess氏（LaserViaの開発者）、TektronixのCharles Bauer博士（光誘電ビアの開発者）[1]、ContravesのWalter Schmidt博士（プラズマエッチングビアの開発者）などがいます。 初の製品版のビルドアップ基板（シーケンシャルプリント基板）は、1984年のHewlett-Packardによるレーザードリル加工FINSTRATEコンピューター基板です。1991年には、日本のIBM野洲によるSurface Laminar Circuit（SLC）[2]とスイスのDyconexによるDYCOstrate [3]が続きました。図1は、初のHewlett Packard FINSTRATE基板を表紙に載せた Hewlett-Packard Journal（1983年）です。 HPのFinstrateレーザービア レーザードリル加工のマイクロビアは、HPが意図的に開発したのものではなく、新製品の32ビットマイコンチップをリバースエンジニアリングした結果としてもたらされました。「FOCUS」と呼ばれたこのチップは、NMOS-IIIで開発された32ビットのマイクロプロセッサーで、極めて大きい電流を消費するという特性を持っていました。当初意外に思われたのは、この新しいマイクロプロセッサーが、1.6mm厚の基板にある標準0.3mm径のスルーホールビアのインダクタンスをドライブできないという点です。ドライブできたのは、20～30ナノヘンリーのインダクタンスか0.125mmのブラインドビアのみでした。次の驚きは、FR-4の通常損失（Dj=0.020）をドライブするエネルギーがないことでした。そのため、純粋なポリテトラフルオロエチレン（PTFE）が使用されました。ICの冷却要件によって、極小のブラインドビアと非常に低損失の絶縁体を備えたメタルコア基板が必要とされていたため、ダイレクトワイヤボンド集積回路（IC）を備えた銅コアのビルドアップ基板が作成されました。 図1. 一般生産された最初のマイクロビア。1984 年に生産を開始したHewlett Packard 記事を読む
PCB ルーティングのヒント: BGA ファンアウトオプションをナビゲートします PCB ルーティングのヒント: BGA ファンアウトオプションをナビゲートします 1 min Thought Leadership PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 トムは会社で順調に昇進し、新しい副社長になりました。彼は一生懸命働き、関係を築き、会社についての知識を着実に構築してきました。残念ながら、トムはアクロニム病という深刻な病気にかかり、それが会社の重要部門に疫病のように広がりました。トムはどんなに努力しても、アクロニムを使わずにはいられませんでした。時には、彼の妻が彼が眠っている間にアクロニムで話しているのを聞くことがありました。 残念ながら、アクロニム病の唯一知られている治療法は、1800年代半ばに旅行する詐欺師が販売していた、あいまいなエリクサーです。そのエリクサーは、見た目、一貫性、そして味が小川の水と同じでしたが、「CMRがTPSによって提供されるDERについて、FERC、NERC、RTOs、ISOsによって研究されている」と説明するあらゆる男性、女性、または子供を治すことができました。 アクロニムは死なない — ただゆっくりと消えていくだけ PCBアセンブリの世界には、確かに略語の不足はありません。ボールグリッドアレイ（BGA）は、PCBデザイナーが集積回路への高密度接続を容易にルーティングできるようにします。表面実装技術（SMT）チップパッケージの下側が接続性を確立し、アレイの上側がフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、アプリケーション特定集積回路（ASIC）、マイクロコントローラ、100ピン以上を持つマイクロプロセッサなどの集積回路（IC）にとって使いやすいパッケージを提供します。パッケージの底部にグリッドパターンで配置された各ピンは、はんだのボールを持つパッドを持ち、これがプリント回路基板内の対応する銅パッドに電気的接続を作り出します。ボールグリッドアレイは、デバイス内のリード長が短いため、低リードインダクタンスを持っています。 BGAは、クアッドフラットパックスタイルのパッケージの下だけでなく、BGAパッケージの周りにも接続を可能にすることでスペースを節約します。SMT技術が改善されるにつれて、メーカーはより良い熱的および電気的特性を持つさまざまなタイプのボールグリッドアレイを生産しています： BGAタイプ BGA略語 BGAコンポーネント特性 成形アレイプロセスボールグリッドアレイ MAPBGA 低コスト 低～中性能デバイス 低インダクタンス 簡単な表面実装 小さなフットプリント プラスチック・ボール・グリッド・アレイ PBGA 低コスト 記事を読む
高速・高周波PCBにおける終端方法 高速・高周波PCBにおける終端方法 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 高速デジタルシステムを扱う際には、終端の話題が必ず出てきます。ほとんどのデジタルシステムには、少なくとも1つの標準化された高速インターフェースがあり、または高速なエッジレート信号を生成する高速GPIOが存在する可能性があります。高度なシステムには、通常、半導体ダイ上に適用される終端を持つ多くの標準化されたインターフェースがあります。実際に終端が必要かどうかを判断した場合、どの方法を使用すべきでしょうか？ 実際には、多くのデジタルシステムではデジタル通信のための標準化されたバスを多くのコンポーネントが実装しているため、離散終端器の適用は非常に一般的ではありません。しかし、高速I/Oを持つ高度なコンポーネントを扱っている場合、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるかもしれません。このような状況が発生するもう一つの例は、特定のプロセッサーや FPGAで時々使用される特殊なロジックです。最後に、RF終端の問題がありますが、これはデジタルシステムの終端とは非常に異なります。 終端の適用時期と方法 上述のように、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるケースは限られています。 あなたのインターフェースにはインピーダンス仕様がありません データシートには、手動での終端が必要であると記載されています インターフェース仕様では、特定の終端（例： DDR、 イーサネットのボブ・スミス終端）が要求されます RFとデジタルのインピーダンスマッチングはやや異なります。全体的な目標は同じです：伝送線に送信された信号は、伝播中に最小限の損失を経験し、受信コンポーネントによって正しい電圧/電力レベルで登録されるべきです。以下の表は、デジタルとRFで使用される終端方法を比較しています： デジタルチャネル RFチャネル 終端帯域幅 広帯域終端回路が必要 狭帯域終端回路が必要 電力損失 特定の場合にはある程度の電力損失が許容される 通過帯域での電力損失はないことが望ましい 適用範囲 記事を読む