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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 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 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。 記事を読む
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 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 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。 記事を読む
PCB用FR-4材料はすべて同じではありません PCB用FR-4材料はすべて同じではありません 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 PCB業界では、「FR-4」は積層材料を表す一般的な呼称として使われています。ある意味では、FR-4を特定の積層材の種類だと捉えること自体が、業界全体に広まった数ある誤解の1つです。本ブログでは、FR-4という用語の歴史、実際に何を意味するのか、それに関連するさまざまな特性値、そして設計に適した積層材を選定する際に考慮すべき特徴について解説します。 FR-4の起源 FR-4という用語を調べると、ほとんどすべての情報源で、ガラス繊維強化エポキシ積層材と定義されています。要するに、Wikipediaでの定義は次のとおりです。 FR-4は、ガラス繊維強化エポキシ積層材に対するNEMA（National Electrical Manufacturers Association：全米電機工業会）の分類です。FR-4は、織ガラス繊維布にエポキシ系樹脂バインダーを組み合わせた複合材料であり、難燃性（自己消火性）を備えています。 このFR-4の定義は業界内で非常に広く浸透しているため、PCB製品の開発に関わる多くの人が、この意味でFR-4を積層材の名称として使っています。 しかし実際には、FR-4は積層材料そのものではなく、これまで一度もそうであったことはありません。むしろ、これはULの分類であり、「難燃等級4」を意味します。PCBの歴史をさかのぼると、かつて積層材の選択肢はポリイミド系とエポキシ系の2つしかありませんでした。航空宇宙向け製品を開発する場合は、より高温に耐えられる樹脂系であるポリイミドを使用していました。ただし、これには多くの欠点があります。高価で、製造が難しく、さらに大きな問題として吸湿性があります。つまり、ポリイミドで作られた基板は、深刻なリークの問題を防ぐために乾燥ベーキングを行い、その後で保護コーティングを施す必要があります。 もう1つの「元祖」材料がエポキシです。エポキシは低コストで製造しやすく、最も一般的に使われる樹脂の1つでした。ただし、この材料は高温に耐えられません。そのため、はんだ付け工程中に軟化し、反りが発生しやすくなります。また、「エポキシ」という言葉も単一の特定樹脂を指すのではなく、積層材の一群を指す分類です。 この2つの当初の積層材オプションを前提にすると、FR-4は基本的に「ポリイミドではない」という意味でした。しかし、だからといってすべてのFR-4基板が同じというわけではありません。実際には、いずれも「FR-4」の条件を満たしながら、外観、性能、コスト帯の位置づけが異なる50種類の基板を作ることさえ可能です。 業界が純粋なエポキシ系材料を超えて発展した後も、新しい樹脂系がポリイミドではないという理由で、FR-4という呼称はそのまま残りました。たとえば、エポキシ系システムの弱点を補うために、現在では温度特性の異なる複数のエポキシ配合が存在します。その1つが「High-Tg FR-4」として知られており、エポキシ系基板に関連する低いTg（ガラス転移温度）の問題に対処しています。 本当に重要なこと 銅箔や織ガラス補強材に加えて、樹脂系はPCB材料システムの主要構成要素の1つです。そして樹脂系の中でも、最も重要な特性の1つが誘電体（絶縁体）です。インピーダンスや波の伝搬速度に影響を与える誘電体の特性は、比誘電率（er）です。表1に示すように、この特性は樹脂含有量と測定周波数の両方によって変化します。 表1. 代表的なHi Tg FR-4積層材システムの特性 人々が「FR-4」という言葉を使うとき、すべてのFR-4材料に共通の比誘電率があると想定しがちです。具体的には、FR-4とは材料のerが4.7であることを意味すると考えています。しかし、このer値は30年前のものであり、現在では当てはまりません。それでもこの思い込みが、多くのインピーダンス不一致の原因となってきました。表2には一般的に使用される積層材のer値を示していますが、そのどれも4.0を大きく超えていません。その他の重要な情報としては、損失正接Tan 記事を読む
多層PCB基板用のFR4代替材料の選択 多層基板用のPCB基板材料としてのFR4代替品の選択 1 min Thought Leadership PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 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。 記事を読む
PCIeレイアウトと配線のガイドライン PCIeレイアウトと配線のガイドライン 1 min Guide Books PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 子供の頃、コンピューターの筐体を開き、マザーボードに搭載された複雑なカードスロット、チップ、その他電子部品を見ると、製作者がどうやってこの部品すべてを正しく配置できたのか、不思議に思っていました。後にコンピューター・アーキテクチャーと周辺機器のPCB設計について学ぶと、私はPCB設計者が優れた電子機器を構築するために注いでいる労力に驚嘆しました。 最新のGPU、USB、オーディオ、およびネットワークカードはすべて同じ相互接続規格である、PCI Expressの背面で実行できます。PCIeデバイスの高速PCB設計に慣れていない場合は、PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group) から標準ドキュメントを購入しない限り、このトピックに関する情報が少し断片的になります。幸いなことに、基本仕様は実用的な設計ルールに分割できるため、適切なPCB設計ソフトウェアを使用して次のPCIeデバイスを簡単にレイアウトおよび配線できます。 他の高速設計/デザインと同様に、配線仕様に関する標準規格に盲目的に従っても、設計/デザインが意図したとおりに動作することは保証されません。プロトタイプの設計では徹底的にテストして、シグナルインテグリティーの問題が設計内に潜んでいないことを確認する必要があります。インピーダンスや配線長などの点ですべてを適切な配線仕様に合わせて設計したとしても、レイアウトの選択が不適切なために設計が失敗する可能性は依然としてあります。各世代のPCIe仕様にはテスト要件も含まれており、これは PCI-SIG Webサイトで公開されています。ここではテストには立ち入りませんが、このまま読み続けて、規格の内容と、新しい PCIe 世代に最適に準拠するようにPCIeカードを設計する方法の簡単な概要を確認してください。 配線仕様 現在、PCIeの仕様を統括する業界の作業グループであるPCI-SIGが、PCIeの5つの世代をリリースしています。 PCIe Gen 5は今年リリースされ、PCIe 記事を読む
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 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