多層基板＆マルチレイヤースタックアップ

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回路基板の熱解析の完全ガイド

PCB熱解析の完全ガイド 1 min Guide Books PCB設計者

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シミュレーションエンジニア回路基板が動作中にどのように熱くなるかは、主にPCB基板と銅伝導体の物理的特性で決まります。回路基板の熱解析方法は、動作中に基板がいつどこで熱くなるか、また基板がどれだけ熱くなるかを予測することを目的としています。この重要な解析の部分は、コンポーネントレベルと基板レベルの信頼性を確保することを目的としており、設計に関する多くの決定に影響することがあります。最適なプリント基板設計ソフトウェアを使用すれば、信頼性が高く、動作時に温度が低い基板を簡単に設計できます。Altium Designerには、信頼性を確保する材料ライブラリを備えた最高の回路基板設計ツールがあり、PCBレイアウトとスタックアップで熱管理のベストプラクティスを実施するために必要なものがすべて揃っています。ここでは、回路基板の熱解析について理解を深め、次に基盤を設計する際に高い信頼性を備えた基板にする方法を説明します。 Altium Designer 高度なレイアウト機能、包括的な基板材料ライブラリ、生産計画機能を統合する統合PCB設計パッケージ。回路基板とコンポーネントの材質によって、動作中に基板内で熱がどのように移動するかが決まります。残念ながら、PCB基板の材料は絶縁体であり、高温のコンポーネントからの熱の放散を妨げます。銅伝導体とプレーン層は役に立ちますが、動作中の基板の平衡温度に影響を与える設計上のシンプルな選択肢がいくつかあります。これらの設計面での決定は、次の3つの領域に焦点を当てています。回路基板のスタックアップ設計基板材料の選択コンポーネントの選択とレイアウト電動ファンやヒートシンクなどのほか、いくつかのシンプルな設計の選択肢によって、基板を低温で動作させ、早期故障を防ぐことができます。適切な設計ツールのセットを使用すると、熱管理のベストプラクティスを簡単に実装できます。熱解析を使用して回路基板を設計する回路基板設計の熱解析の目標は、温度を制限内に保つためにファン、ヒートシンク、追加の銅箔、またはサーマルビアなどの冷却手段が必要となるタイミングを判断することです。設計者は、基板内のコンポーネントの最大許容温度を選択し、コンポーネントが消費する電力に基づいてコンポーネントの温度がどのように変化するかを調べる必要があります。コンポーネントの温度が許容温度制限を超える場合は、ヒートシンクやファンなどの追加の冷却手段が必要になる場合があります。まず、集積回路のコンポーネントのデータシートに通常記載されているコンポーネントの熱インピーダンスを確認します。この値は、低電力アンプやICでは最高20℃/Wと低く、強力なマイクロプロセッサーでは最高200℃/Wと高くなることがあります。動作温度を求めるには、コンポーネントの消費電力に熱インピーダンスを掛けます。SOTパッケージ内のMOSFETの例では、これは次のように定義されます。熱インピーダンスで定義されるコンポーネントの温度。コンポーネントの温度が高すぎる場合、PCBレイアウト内のコンポーネントの熱インピーダンスを下げるため、コンポーネントから熱を放散するために実行できる手順がいくつかあります。接地されたポリゴンを使用してサーマルビアをコンポーネントの下に追加する熱伝導率の高いPCB基板材料を使用するコンポーネントに放熱板を追加するプレーン層など、コンポーネントの下にさらに多くの銅箔を含める

高速設計およびHDIボード用のPCB材料特性の比較

高速設計とHDIボードのためのPCB材料特性の比較 1 min Blog PCB材料の比較表をお探しですか？次の高速またはHDI PCBに向けて、PCB材料の特性を比較した当社の比較表をご覧ください。

高Dk PCB材料の利点

高Dk PCB材料の利点 1 min Blog 「高速設計」と「低Dk PCBラミネート」の用語は、しばしば同じ記事で、そしてしばしば同じ文で使用されます。低Dk PCB材料は、高速および高周波PCBにおいてその場を持っていますが、高Dk PCB材料は電力の整合性を提供します。低Dk PCBは、一般に損失正接が低い傾向にあるため選ばれます。したがって、高Dk PCB材料は、高速および高周波PCBに対して見過ごされがちです。高速/高周波ボードの電力の整合性を見るとき、単に信号損失を受け入れるか、高速ラミネートによって提供される値を受け入れるのではなく、安定した電力のための全体的な戦略の一部として誘電率定数を考慮すべきです。これには、PCBの電力の整合性に影響を与える誘電率定数の実部と虚部の両方が含まれます。これを念頭に置いて、電力の整合性を確保するために高Dk PCB材料が果たす役割を見てみましょう。高Dk PCB材料とPCB電力の整合性まず最初に、電力の整合性を見るとき、常にレギュレータ段階から出力される電圧が、PDN全体で電力が流れるにつれて一定であることを確保しようとしています。これには、PDN分析と電力の整合性の2つの側面が挙げられます： DC解析：ここでは、PDNを構成する導体間のIR降下のみに関心があります。誘電率定数はDC解析では役割を果たしません。 AC解析：AC解析とは、電力平面上の任意の時間変動電流の振る舞いを意味します。これは、PDNのインピーダンスが重要となる場面であり、下流コンポーネントで見られる電圧変動は、 PDNインピーダンスと時間変動電圧（オームの法則）の積です。電力面とグラウンド面の間の誘電体として使用される高Dk PCB材料は、重要な電力整合性の利点を提供します。特に、グラウンド面と電力面の間のPCB材料の高Dk値は、より大きな面間キャパシタンスを提供し、これはあなたの平面がより大きなデカップリングキャパシタのように機能し、PDNインピーダンスが低くなることを意味します。グラウンド面と電力面を近づけることも面間キャパシタンスを増加させます。 2006年のIEEE論文からのいくつかの例示的なシミュレーション結果が以下に示されています。誘電率定数のもう一つの重要な側面は、虚数部分またはDf値です。これは通常、損失正接を使用して要約されますが、これは高速/高周波ボードで特定の積層材の有用性を調べる際に使用する唯一の指標ではありません。

Altium Designerで完璧なPCBスタックアップを設計する方法

Altium Designerで完璧なPCBスタックアップを設計する方法 1 min Blog 過去20年以上にわたり、電子機器は複雑になり続けてきました。基板の密度は限界に達しつつあります。EMC/EMI規制は進み、より厳格化しました。高速化できる余地は小さくなりました。このため、PCBレイアウト技術者が今日のPCBを確実に設計するには、EMC、PDN、EMI、SIを十分に理解することが必要です。この記事では、PCBスタックアップを正しく作成するための考慮事項についていくつか解説します。解説する内容このブログでは、PCBスタックアップをどのように計画し、基板設計CADのAltium Designerで実装するかについて解説します。HSD(High Speed Digital Design、高速デジタル設計)を行うときのSIの問題を最小化するための設計最適化について検討します。学習内容 PCBの積層材料のデータシートを理解する方法信号層の数を推定する方法 AltiumでPCBスタックアップを設計する方法についてのいくつかの推奨事項一般的な誤りと落とし穴、およびAltiumを使用してそれらを回避する方法 PCBの積層材料データシートについて PCBレイアウト技術者が行う最初の手順は、applicationに使用するPCBの積層材料(樹脂、銅箔、ガラス繊維)を選択することです。選択するPCB積層は、applicationの種類により決定されます。以下のデータを追加できます: HSD(High Speed Digital Circuit、高速デジタル回路)はサーバー、ルーター、高速データチャンネル(例: PCIe、10Gbeなど)で一般に使用されるもので、FR408HR、I-speedなどの積層が必要です。

Altium Designer 21でマルチレイヤースタックアップを設計する

平面容量のない4層PCBスタックアップの設計 1 min Blog 一見すると、4層PCBの設計は簡単な作業のように思えるかもしれませんが、他のボードと同様に、適切なレイアウトとスタックアップが必要です。Kella Knackは、マルチレイヤースタックPCBを成功裏に設計する方法について専門家としてのアドバイスを提供しています。

PCB外層処理の概要

PCB外層処理の概要 1 min Thought Leadership エキスパートのケラ・ナックがPCB外層の製造について詳しく説明しています。異なるビアがどのように形成されるか、多層構造プロセスにおけるステップについて読んで学びましょう。

電源プレーンリターンパス

パワープレーンとグラウンドプレーン：PCBのパワープレーンをリターンパスとして使用すべきですか？ 1 min Thought Leadership 電源プレーン（電源層とも呼ばれる）とグラウンドプレーンは、電力供給の配布以上の重要性を持っています。インピーダンス制御ルーティングでの基準プレーンの定義や、リターンパスの管理においても、スタックアップはリターン電流がPCBの電源プレーンに入り、その後グラウンド層に再結合されるよう強制することがあります。インピーダンス制御トレース幅の基礎としてGND基準層を定義しても、設計内の電源層の長さに沿った明確なリターンパスを定義する必要があります。電源層をリターンパスとして使用するPCB内でのリターンパスを制御するための良い実践をいくつか見てみましょう。 PCBの電源プレーンをリターンパスとする場合の信号挙動「リターンパス」と言うとき、設計内でリターン電流が自然に従うパスのことを指します。このパスにより、電流はPCBアセンブリの入力側の低電位端子に戻ることができます。伝送線上で移動する信号にとって、リターンパスは線とその基準プレーンの間の容量によって決まります。容量が大きい、周波数が高い、またはその両方である場合、リターン電流は変位電流として容易にグラウンド層に入ることができます。これは、伝送線とその参照平面との距離が、その参照平面のタイプが何であれ、実際の設計においていくつかの重要な電気的振る舞いを決定することを意味します。そのような振る舞いには、外部ソースからのEMI感受性があり、これは大きな電流ループを介して誘導的に、または電場を介して静電容量的に受信されることがあります不一致のインピーダンスは、平面領域間、ギャップを越えて、またはインターコネクトに沿ってトレース幅が変化する場合に生じます他のトレースからのクロストークは、設計が伝播中の損失は、伝送線と近くの参照平面または他の導体の間の場の線の集中によって発生します返り経路または信号参照を提供する隣接層としてパワープレーンまたはグラウンドプレーンのどちらを使用するか選択できる場合は、常にPCBグラウンドプレーンを選択するべきです。これには2つの理由があり、以下で詳しく説明します。静電容量結合電力プレーンがどのようにして（あるいはしないで）任意の種類のリターンパスとして機能するかを議論する前に、我々は次の質問をしなければなりません。伝送線から電力プレーンPCBへの電流はどのようにして入るのでしょうか。答えは、容量性結合です！上述のように、リターンパスは伝送線と近くの導体の間で誘導されることが記されています。近くのプレーン層については、線とプレーンの間に電気ポテンシャルが変化するたびにこれが発生します。したがって、プレーンの隣でトレースが配線され、デジタル信号がそのトレースを通過するとき、我々は今、プレーン層で変位電流が駆動されていることになります。近くのプレーンが、電力入力時の低ポテンシャル点と同じポテンシャルのグラウンドプレーンであれば、全てがうまくいくでしょう。これの問題点は、電流が電力プレーンから近くのグラウンド層へと移動する必要があるとき、電流は別の誘電体層を通ってPCBグラウンドプレーンに到達する必要があるということです。スタックアップの設計方法や信号が誘導される基板の領域によって、2つの層の間のキャパシタンスは、電源プレーンとグラウンドプレーンの間に非常に高いインピーダンスの経路を形成する可能性があります。スタックアップによっては、以下に示すような単純な4層スタックアップの場合、電源層とPCBグラウンドプレーン層の間のプレーンキャパシタンスは非常に小さく（平方ミリメートルあたりフェムトファラドのオーダー）、非常に高速なデジタル信号や非常に高周波のRF信号を除いて、極めて高いインピーダンスのリターンパスを作り出します。この電源プレーンとグラウンドプレーンの間の旅の中での唯一の他の選択肢は、以下に示すように、最も近いデカップリングキャパシタを通ることです。どちらの場合でも、基板のどこかでEMI問題が発生する可能性があります。通常の低速シングルエンド信号（たとえば、立ち上がり時間が制限されたI2CやSPI信号など）の場合、このGNDへの結合から発生するEMIが最大の問題ではないかもしれません。これは、純粋なDCや低周波アナログデバイスではまったく発生しません。しかし、今日の標準CMOSコンポーネントでは、一般的なデジタルコンポーネントのシングルエンドバスでもこの問題が発生する可能性があります。では、解決策は何でしょうか？解決策は、PCBスタックアップの再設計にあります。最も簡単な方法は、グラウンドリターンを提供するレイヤーを追加することです。一般的に、すべてのGNDプレーンが適切に間隔を置いてステッチングビアで繋がれている限り、他の設計変更は必要ありません。設計の観点からより時間がかかるものとして、上記の4層スタックアップのように、PWRとシグナルを同じレイヤーに配置し、その上にPWRをプアとして同じレイヤーに追加することが挙げられます。 4層例上記の例の4層ボードでは、連続したビットストリームを提供する必要があるバスとラインを、GNDの直上のトップレイヤーに配置するのが最適です。RCやシリーズ終端で遅延させることができる制御信号などの他の信号は、バックレイヤーに配置することができますし、その他のサポートコンポーネントも同様です。しかし、両方の表面レイヤーにデジタルバスを持つ4層PCBが必要な場合、最良の実践は代替スタックアップを使用することです。このスタックアップは、ノイズを抑制し、どこでもクリアなリターンパスを提供する最良の代替手段と言えるでしょう。これはSIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRスタックアップで、信号と電力は上層でルーティングされます。これにより、電力レールは隣接するGNDプレーンに近接して配置されるべきであるため、非常に強力なデカップリングが提供されます。この代替4層スタックアップについてもっと学ぶこのボードには、複数の電力レールがある場合に生じる可能性のある難しさが一つあります。4層ボードが両層に高速信号を必要とし、複数の電力レールと強力な電力整合性が必要な場合、標準のSIG/GND/PWR/SIGスタックアップは機能しません。ここで、2層を追加して6層スタックアップを構築することが最良の選択です。