PCBレイアウト

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Thought Leadership 回路基板レイアウトのための多層PCB設計に関するヒント初めて何かをやるときは困難になるものです。ひな鳥は巣から外へ出されるのを喜ばないでしょうし、十代の若者は本物の初デートの前は不安で仕方ないでしょう。私も初めてのデートのときは怯えきっていました。とはいえ、その出来事は私の人生の中でとても素晴らしい時間になったので、最初の一歩を踏み出せたことに満足しています。初めて多層PCBのレイアウトを設計する皆さんは、これとは違うけれど同じように重大な一歩を踏み出そうとされています。わからないことばかりで、ミスをしたらどうしようと不安を覚えていませんか? だとすれば心配はいりません。それは誰もが通る道ですし、役立つ情報がいくつもあります。この記事では、注意すべきライブラリー関連のいくつかの問題のほか、設計の開始に向けた一般的なガイドラインについてご紹介します。目標を達成するためには、とにかくやってみないといけないときもあるでしょう。PCB設計者にとっては、初めての多層基板の設計がこれにあたります。設計を始めるために役立つ情報を見ていきましょう。多層設計用のライブラリーの準備多層PCBを設計する際は、まずCADライブラリーを確認しておきます。片面基板や両面基板の設計しか行ったことがない場合は、ライブラリーがマルチレイヤーに対応していないかもしれません。まずは次の3つを確認しておきましょう。ネガティブプレーン層: 多層PCBのレイアウトでの電源プレーンやGNDプレーンの作成には、多くの場合にネガ状の画像プレーン層が使用されます。一部のCADツールでは、ネガティブプレーン層のドリル穴用に、パッドやフットプリントの形状に組み込まれたクリアランスが必要になります。こうしたツールを使用する場合は、必ずパッドやフットプリントの形状に正しいネガ状のプレーンクリアランスを設定します。これを怠るとショートが発生することになります。内層の信号層のパッド形状: デザインの中には、内層とは異なるパッド形状が外層で使用されるものもあります。たとえば、ピン1のパッドが、内層で通常使用される円形ではなく、視覚認識を考慮して四角形にされることが多々あります。ライブラリーがマルチレイヤーに設定されていない場合は、内層の信号層で必要なパッド形状を使用できない可能性があります。製図の要素: レイアウトツールで製造図や実装図を作成する場合は、ライブラリーに保存されているさまざまなロゴ、テーブル、ビューを使用できるかもしれませんが、これらは多層基板用に変更する必要があります。多層PCB設計用のライブラリ部品の準備製造工場の要件を理解する多層PCB設計には、片面基板や両面基板よりも大きな利点があります。つまり、スペースを節約して設計密度を上げられるだけでなく、シグナルインテグリティーの問題もさらに対応できます。重要なのは、設計を開始する前に製造工場と打ち合わせを行い、多層基板の製造要件を理解しておくことです。こうした要件は、それぞれの製造工場が持つ基板技術のレベルによって変わってきます。特定のレイヤー数を超える基板に対応できない、または非常に小さなトレース幅やスペース幅の基板を製造できない工場もあるでしょう。こうした制限を超えると、製造コストが増大したり、基板が製造できなかったりする場合があります。たとえば、ビアの種類について考えてみましょう。通常、製造工場は標準的なスルーホールビアには対応できるものの、ベリードビア、ブラインドビア、マイクロビアを使用する場合は事前に工場に確認しておいたほうがよいでしょう。前述のとおり、トレース幅や間隔、基板層の数や構成についても相談しておくべきです。こうした要素はすべて、回路基板が製造できるかどうかに影響を及ぼすため、設計を開始する前にしっかりと把握しておく必要があります。

メッキPCB取り付け穴のPCB接地手法基板を筐体に配置するときは、何らかの方法でその筐体に取り付ける必要があります。PCBの表面をネジで傷つけずに確実に取り付けるには、通常はメッキスルーホールをただコーナーに配置します。このPCB取り付け穴は通常、ソルダーマスクの下にパッドが露出しているため、必要に応じて取り付けポイントをネットの1つに電気的に接続できます。この場合によく発生する問題の1つは、接地とPCB取り付け穴です。取り付け穴を設計で接地する必要がある場合、どのように接地する必要があるのか？筐体に接続するのか、内部接地のみに接続するのか、それとも別の場所に接続するのか？これは楽しい質問で、答えは通常、「必ずすべき/絶対にすべきではない」という具合になります。取り付け穴は必ず筐体に接地しているという人もいれば、設計が台無しになるので絶対に接地すべきではないという人もいます。このように定められたほとんどの設計ルールと同様に、実際の答えはより複雑で、入力電力から接地系の構造に至るまで、設計の多くの側面が関わります。PCBへの入力で電源と接地がどのように定義されているかを理解していれば、接地を適切に考慮した取り付け方法を設計することが容易になります。 PCB取り付け穴の設計方法名前が示すように、PCB取り付け穴は、回路基板を筐体に固定するために使用されます。PCB取り付け穴に関しては、誰もが同意するいくつかのポイントがあります。金属ネジで取り付けることができるように、取り付け穴は一般的にメッキされている必要がある。浮遊する金属片はEMIの発生源となるため、取り付け穴は何らかのGNDネット（アース(PE)、信号GND (SGND)、接地済み筐体など）に接続する必要がある。取り付け穴は、標準サイズの留め具に対応するサイズにする必要がある。取り付け穴はメッキなしでもかまわないが、設計でプラスチック製のネジやスタンドオフを使用する場合以外は望ましいやり方ではない。これについては、位置決め穴に関する以前の記事で少し詳しく説明しました。というのは、一部の有名企業では取り付け穴と位置決め穴を区別していないからです。設計者にとって、このように区別することは重要です。取り付け穴はほぼ確実に基板の接地系の一部になるし、設計におけるEMIと安全性にこの相違がどのように影響するかを正確に考慮する必要があるからです。メッキした取り付け穴を筐体に接続することはベストプラクティスであり、そのような接続が可能な場合は、筐体の接地をアース接地に接続することができます。ただし、筐体内に金属元素があるバッテリー駆動システムなどでは、必ずしもそうとは限りません。PCBの取り付け穴、筐体、およびアースの接続方法によっては、デバイスでEMIが発生したり、ユーザーが感電したりする可能性があります。後者のケースは、電源の筐体がアースに十分に接地されていないか（プラグを差し込んだとき）、マイナス電源端子が十分に接地されていない場合に（プラグを抜いたとき）、コンピューターの電源で発生するおそれがある問題の1つです。適切なアース接地接続を含め、PCBの接地手法を適切に行えば、フローティング接地をなくすことができます。それが、金属筐体の接地したPCB取り付け穴の主な用途の1つです。 PCBの接地手法と取り付け穴上の画像は、過度に一般化したものではありません。場合によっては、取り付け穴を基板に接地する必要がまったくなく、代わりに筐体に接地する必要があります。それ以外の場合、選択の余地はありません。接地する場所が他にないため、取り付け穴を内部接続に接地する必要があります。取り付け穴に適用するPCB接地手法では、対処の必要な電流、その電流の周波数、ESDなどの安全性の問題を考慮する必要があります。残念ながら、考えられるあらゆる状況に対応できる単独のアプローチはありませんが、PCBの取り付け時に生じる接地接続をどのように考えたらいいのかは、以下のポイントを参考にしていただければと思います。ケース1: 低電流DC、ガルバニック絶縁なし以下の表は、標準的なPCB接地手法の一環として、メッキPCB取り付け穴をどのように扱うのかという状況をいくつか示しています。ここでは、3線式DC（POS、NEG、アースGND接続）、2線式DC（POSとNEGのみ）、3 線式ACをDCに整流した場合を検討します。入力電力金属筐体