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PCBコアとプリプレグ材料：設計者が知っておくべきこと

Thought Leadership プリプレグ材料とPCBコアの違い：設計者が知っておくべきこと PCBの材料選択や製造プロセスについてもっと知りたいというデザイナーからの質問を時々受けます。私は製造業者ではありませんが、新しいプロジェクトに取り組む際に利用可能な材料について何かを理解することは、デザイナーにとって有益です。PCBのコアとプリプレグ材料の正確な違いについて質問を受けることがあります。これらの用語は、時には初心者のデザイナーを含めて、交換可能に使用されることがあります。私もこれに該当することを認めます。プリプレグとコアの違いが明確になったら、どのような材料を使用すべきか、重要な電気パラメータはメッキ、エッチング、硬化中にどのように変化するのか？GHz周波数で作業する必要があるデザイナーが増えるにつれて、これらの材料上でトレースを適切にサイジングし、複雑な信号整合性の問題を避けるために、これらの点は非常に重要になります。 PCBデザインにおけるコアとプリプレグの違いは何ですか？ PCBのコアと積層材は似ているようで、いくつかの点で大きく異なります。コアは実質的に1枚以上のプリプレグ積層材であり、これらは圧縮され、硬化され、熱で硬化された後、両面に銅箔でメッキされます。プリプレグ材料は樹脂で含浸されており、この樹脂は硬化されますが、未硬化の状態で残されます。ほとんどのメーカーは、プリプレグをコア材料を一緒に保持する接着剤として説明しています。プリプレグ積層材の各側に2つのコアが積み重ねられ、その積層体を熱にさらすと、樹脂が隣接する層に結合し始めます。硬化した樹脂は徐々にクロスリンキングを通じて硬化し、その結果としての材料特性はコア層のそれに近づき始めます。樹脂材料はガラス繊維を包み込み、このガラス繊維の製造プロセスは糸を製造するのに使用されるプロセスと非常に似ています。ガラス繊維は非常に密集している場合（例：7628プリプレグ）もあれば、緩い場合（例：1080プリプレグ）もあり、これは製造中に織機で制御されます。糸の隙間と全体的な均一性は電磁特性を決定し、これが信号がボード内で見る分散、損失、および任意のファイバーウィーブ効果の原因となります。 FR4 PCBコア/プリプレグ織物とその重要な材料特性。出典：Isola Group。 PCBコアとプリプレグ材料は、レジンの含有量、レジンの種類、ガラス織物によって、異なる誘電率を持つことがあります。これは、トラック上の信号によって見られる実効誘電率が周囲の材料の誘電率に依存するため、非常に正確なインピーダンスマッチングが必要なボードを設計する際に問題となることがあります。すべてのプリプレグとコア材料が互換性があるわけではなく、誘電率が大きく異なるコア/プリプレグのスタックは、相互接続における正確な誘電率と損失を予測することを難しくします（下記参照）。任意のPCBコアまたはプリプレグ材料において、高電圧での漏れ電流とクリープ電流は懸念されます。銅の電気移動とその後の導電性フィラメントの成長は、FR4材料のクリープ仕様の一因です。この問題、およびガラス転移温度と分解温度を上げる願望は、FR4コアとラミネートで非ジシアンジアミド（非DICY）レジンへの切り替えを促しました。フェノール樹脂は、DICYレジンと比較して、完全硬化後の高い分解温度とガラス転移温度を提供すると同時に、より高い絶縁抵抗を提供します。異なるコアとプリプレグ材料の実効誘電率コアとプリプレグ材料の明らかな構造的変化により、信号整合性の観点から誘電率と損失角の正確な値を得ることが重要です。信号の立ち上がり時間が短い場合、マーケティングデータシートから値を取ることができるかもしれません。しかし、膝周波数やアナログ信号がGHz範囲に達すると、データシートから引用された値に注意が必要になります。特に、インピーダンス制御ルーティングを使用して相互接続の挙動をモデリングする場合はそうです。データシートの値の問題は、実際に測定される誘電率はテスト方法、ルーティングの形状、特定の周波数（特にGHz範囲）、樹脂含有量、さらには材料の厚さに依存するためです。ジョン・クーンロッドは、最近のポッドキャストでこの問題について広範囲にわたって議論しています。異なるPCBコア/プリプレグ材料の織りパターンは、それらを非常に不均一で異方性のあるものにしており、重要な材料特性が空間内および異なる方向に沿って変化することを意味します。これが、スキューやファイバー空洞共振などのファイバーウィーブ効果が存在する理由です。あなたは思うかもしれませんが、なぜラミネートの厚さが材料特性を特徴づける際に重要なのでしょうか？その理由は、信号の挙動を特徴づける重要なパラメーターが有効誘電率（これは複素数の量です！）であり、これは使用するトレースの寸法と層の厚さに依存するからです。マイクロストリップおよび対称ストリップライン伝送線に関するこれらの記事をご覧ください。

インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較

Thought Leadership インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較適切な層の材料で、インピーダンスをコントロールした設計をしていますか ? PCB設計のより細かい点について最初に学び始めたとき、コアは特殊な材料であるという印象を受けました。これは必ずしも真実ではありません。設計者には、要求に最も適したコア/プリプレグの配置を選択する自由があります。インピーダンス配線の制御に関して言えば、特に高周波数では、分離絶縁体としてコア層とプリプレグ層のいずれを使用するかが重要な問題になります。それでは、どちらの層がインピーダンス配線のコントロールに最適なのでしょうか? 基板のインピーダンスをより細かく制御するには、ガラス繊維の影響を考えるに先立ち、より高い、比誘電率の均一性が必要です。また、製造後の基板の比誘電率の一貫性と予測可能性も高い必要があります。ここでは、プリプレグ層とコア層の位置を決定する際に、レイヤー構成に適した材料をどこで慎重に購入する必要があるかを説明します。プリプレグvsコアにおけるインピーダンスコントロールコアは、厚くて硬いガラス繊維の層で、通常は層数の少ない基板の中央に配置されます。私が見た限りでは、「コア」という語を使用すると、新人設計者は文字どおり、「あらゆる設計は、基板の中心にコアがあり、その周りに他の層が組み込まれているに違いない」と受け止めます。私は、特に層数が増加するにつれて、これは必要条件ではないことを後から学びました。実際には、コアとプリプレグの層が交互にあり、中央の層は必ずしもコア層ではありません。重要なのは、コア層が配置されている場所に関係なく、レイヤー構成は対称であるという点です。プリプレグは、製造の時点では完全には硬化していない材料で、コア層間の接着剤を形成します。最近かかわった、板厚が標準的な1.57mmの基板を扱ったプロジェクトでは、外層にRogersのコア、内層にFR4プリプレグ/コアを使用しましたが、このタイプのハイブリッド多層板 (FR4にPTFEを積層) はよく使用されます。材料によってコストが異なるので、コストは結果を左右する要因です。したがって、低損失の積層板は、一般に高速/高周波信号を伝送する層のために予約されています。通常、比誘電率と厚さの両方に関して、コア層はプリプレグ層よりも高い再現性を持っています。これは、コア材料がすでに銅箔と結合されているからです。これに対し、プリプレグの製造業者は原材料の比誘電率の範囲しか指定できず、アセンブリ後の比誘電率を指定していません。そのような状況が、相互接続上の信号によって参照される実効比誘電率を決定します。特殊な低損失プリプレグ積層板の中には、比誘電率が非常に幅広いバリエーション (50%以上) を持つものがあります。シングルPly CoreかダブルPly Coreか? ガラス繊維の織り方が異なるコア材料の中には、比誘電率が大きく異なるものがあります。これは、特定のコア材料がシングルplyかダブルplyかによっても異なります。106コアと106/1080コアが完璧な例です。これらの材料の比誘電率は約10%変動しますが、既存のデザインを使って、シングルply coreとダブルply

ヒートシンクからのEMIとその対策方法

Thought Leadership コンデンサのヒートシンクからのEMIとその対策方法適切なヒートシンクを選択することで、システムを冷却し、EMIを防ぐことができます. 明らかではないかもしれませんが、また、ほとんどの設計者がチェックするとは思わないかもしれませんが、ヒートシンクはスイッチング要素に接続されている場合、EMIを発生させることがあります。これは電源設計における一般的な問題であり、特にヒートシンクが高電流を引き出し、高周波でスイッチングするコンポーネントと接触する場合に発生します。ヒートシンクからのEMIを減らすには、導電部分と放射部分のバランスを取る必要があり、これを行うためのいくつかの簡単な設計手順があります。ヒートシンクと寄生容量からのEMI ほとんどの設計者が基板上のコンポーネント用にヒートシンクを選択することを考えるとき、彼らはおそらく単にメーカーの推奨に従うだけです。彼らはメーカーが推奨するサイズと同様のヒートシンクを使用するかもしれませんが、熱伝導率が高い材料で作られたものを選ぶかもしれません。設計者の中には、アクティブ冷却対策、例えば冷却ファン、または（極端な場合には）液体冷却や蒸発冷却を選択する人もいます。これらの対策は、特にメーカーが必要なヒートシンクと組み立てガイドラインを提供している場合、標準化されたコンポーネントを使用する際に適切です。 CPUの速度が1 GHzを超えて以来、ヒートシンクからの放射および導電EMIがより目立つようになりましたが、これは電力電子およびコンピュータシステム業界外の多くの設計者には気づかれなかった可能性があります。今日では、一般的にヒートシンクは単に接地されるべきであり、これがEMIの問題を解決するとされています。実際には、これだけでは問題を完全に解決するわけではなく、問題を解決するには寄生容量を管理する必要があります。 EMIの両方のタイプは、スイッチングICと近くのヒートシンクとの間の寄生容量結合によって生じます。スイッチングトランジスタを持つ集積回路の構造を調べると、チップパッケージと任意の熱伝導ペーストやインターフェース材料がキャパシタの絶縁領域を形成しているのがすぐにわかります。この寄生容量がヒートシンクに共通モード電流を誘導する責任があります。 MOSFETに垂直ヒートシンクが接着された例。次に何が起こるかは、ヒートシンクが接地されているかどうかによります。ヒートシンクが接地されていない場合、ヒートシンクとチップは容量結合電流の地面への容易な戻り道がないため、放射されたEMIの源として機能します。電流はヒートシンク内の複数の電磁共鳴を励起し、高電流と強い放射を持つヒートシンク内の一連の領域を作り出します。これは、ヒートシンクが通常デフォルトで接地される理由の一つです。しかし、ヒートシンクに誘導された強い電流が地面に向けて偏向されると、グラウンドリターンパスに応じて、近くの回路で伝導EMIの源を作り出す可能性があります。なぜヒートシンクからの放射または伝導EMIがより頻繁に対処されないのでしょうか？その理由はいくつかあります。通常、ヒートシンクからのEMIが顕著になるのは以下の二つの場合です：スイッチング時の高電流。これは、大きなスイッチングレギュレータで大型トランジスタがスイッチングする電力電子工学における一つの問題です。より短い時間でより高い電圧にスイッチングすると、ヒートシンク内のより大きな変位電流が生成されます。プロセッサの高速スイッチング。より高速に動作するプロセッサは、ヒートシンク内に大きな変位電流を簡単に生成することができます。また、ヒートシンク内の高周波共鳴を容易に励起することもできます。どちらの場合も、高電圧/電流のスイッチング電源を設計する際には、ヒートシンクへの容量結合を考慮する必要があります。他のアプリケーションには、低電圧で動作するデバイスのGPUやCPUのためのVRMが含まれます。ヒートシンクからの伝導および放射EMIのバランス

実装業者向け出力の生成

実装業者向け出力の生成先日、比較的経験の浅い技術者から、実装業者が問題なく作業できるためにはどのようなファイルを送ればよいか、また、実装業者が設計について不明点を明らかにするための質問の数を減らすにはどうすればよいか、という質問を受けました。その技術者は、大手の企業で専門職として数年間働いており、自分がかかわっている製品の出力を生成する責任もなければ、その出力を目にすることもなく、実装の経験といえば、趣味や大学のプロジェクトを通じて自分で組み立てたことしかありませんでした。実装業者に適切なファイルを送らなかったり、設計者の意図を十分に明示した出力を提供しなかったりすれば、実装業者との理解の相違を解消するために作業が行きつ戻りつして遅れが生じる可能性があります。この記事で紹介する方法は必ずしも業界のベストプラクティスではありません。筆者自身が、外注の実装業者や製造業者にファイルを送った際の不明点を減らすために何年もかけて改善してきたプロセスです。カナダ、ヨーロッパ、中国の実装業者と一緒に働いている筆者の場合、このプロセスがうまく機能していることは既に明らかです。この記事で例として取り上げるプロジェクトを直接操作しながら説明を読み進めたい場合は、私が GitHubで使用している基板を入手できます。古い基板ですが、実例を示すという目的には最適です。このプロジェクトを基にして独自の基板を作成し、デジグネータの扱いを練習する場合は、フットプリント用の Altium Designerのデータベースライブラリの古いV1バージョンをダウンロードしてください。デジグネータ基板にデジグネータを使用したがる設計者もいれば、使用する必要性を感じない設計者もいます。筆者個人は、自分のシルクスクリーンにはデジグネータをまったく追加しません。デジグネータの使用について意見がある方は、この記事にコメントする形で理由をお知らせください。自分の経験では、非常に狭い空間にコンポーネントが配置された状態でデジグネータを追加すると、たいていは混乱するので、部品を探す場合は実装図を参照してもらうようにします。回路基板にコンポーネントを配置する際は、すべてのデジグネータを新しいデジグネータメカニカルレイヤーに移し、デジグネータを部品の中央に配置して、必ずデジグネータがコンポーネント自体よりも小さくなるようにします。これは、アセンブリ用出力を生成する際、実際に役に立ちます。各コンポーネントの位置を正確に示すこのメカニカルレイヤーから、非常に明快な図面を作成できるからです。このために筆者が考えたプロセスは、 [Panels]（Altium Designerの右下）≫ [PCBFilters] からアクセスできる [PCB Filter] タブを使用する方法です。フィルターテキストは、単純に「 isDesignator」に設定し、一致するものを選択し、一致しないものを選択解除します。 PCBフィルターの追加により、デジグネータを簡単に選択できます。次に

アプリケーションでリジッドフレキシブル技術が必ずしも利用されないのはなぜですか?

アプリケーションでリジッドフレキシブル技術が必ずしも利用されないのはなぜですか？アプリケーションで、リジッドフレキシブル技術が必ずしも利用されないのはなぜですか？よい質問ですね！リジッドフレキシブル技術は、リジッド基板とフレキシブル回路のハイブリッドで、両者の利点を最大限に活かした技術です。フレキシブルな部分は、取り付け時(折り曲げて取り付ける)や完成品での使用時(動的に折り曲げる)に折り曲げることができるため、スペース、重量、パッケージングの問題の解決に有効です。リジッドな部分は、高密度コンポーネントの領域を確保し、より多くの層数、複雑な配線、基板の両面への表面実装を可能にします。どのアプリケーションにもこの構造を使用することが私には理にかなっています！より現実的なことを言えば、特定の設計で使用する技術を選択する際、コストはほとんど常に検討すべき要素となります。リジッドフレキシブルは、あらゆる利点を備えていますが、必ずしも最適な総コストの解決策になるとは限りません。この後のブログで、リジッド回路、またはフレキシブル回路のコストではなく、設計の総コストをリジッドフレキシブル設計と比較することの重要性についてお話しします。ここでは、フレキシブル、およびリジッドフレキシブル基板の製造コストが、標準的なリジッド基板よりも高い理由を考えてみましょう。第一に、標準的なFR4ラミネートに比べて、単純に原材料が高価です。PCB市場では、リジッド基板の材料よりもフレキシブル基板の材料の消費量が少なく、原材料のコストに顕著な差が生じています。第二に、フレキシブル基板の材料は、場合によっては取り扱いが難しいことがあります。設計者は、薄くて軽量で折り曲げや折りたたみが可能であるという理由でフレキシブル基板の材料を選択しますが、これらの材料は製造中に特別な注意が必要です。18” x 24”、または12” x 18”で、厚さがほんの2～3 milのラミネートを思い浮かべてみてください。まるで紙片を支えるようなものです。わずかなはためきでも、回路の作成時に銅箔にくぼみやしわが発生する可能性があります。フレキシブル基板の場合、製造業者は、特別な手順で取り扱う必要があります。例えば、ラミネートを平らに保つには、材料の相対する角のみを持ち上げます。施設内で材料を移送する場合は通常、特殊なトレイまたは棚付きカートが必要です。ほとんどのPCB製造用ウェットプロセス装置はローラーベースであるため、フレキシブル基板の材料では、パネルがローラーに巻き込まれないように、テープで固定されたリーダー基板とテープで固定されていないリーダー基板がプロセス全体で必要になることがよくあります。リジッド回路とフレキシブル回路の材料のコストと処理要件を比較すると、フレキシブル基板の方が高価な理由がわかります。より複雑なリジッド構造では、異種材料のラミネートと製造に必要な特殊加工により、コスト差が広がります。リジッドフレキシブルの構造の違いがコストにどのように影響するかを理解することも重要だと思います。通常、最も単純で安価な選択肢は、リジッドな外層を持つリジッドフレキシブル基板と、すべてのリジッド層が同じ厚さを持つフレキシブル相互接続層です。これは最も一般的なリジッドフレキシブル基板の構造ですが、前のブログ記事でも申し上げたように、フレキシブル、およびリジッドフレキシブルが独創的な設計を可能にします。例えば、特定の設計ソリューションでは、フレキシブル領域にメッキスルーホールが必要です。確かにそれは可能ですが、製造工程で追加処理のために余分なコストがかかります。簡単に言うと、フレキシブル層は、スタックアップの残りの部分に組み込む前に、スルーホールを作成するために「ウェットプロセス」の工程が必要です。パッケージングの問題を解決するもう1つの独特な方法は、特定のフレキシブル層、またはテールを別々の部分に分割する方法です。例えば、フレキシブル層1と2をある一方向に、フレキシブル層3と4を別の方向に、フレキシブル層5と6をさらに別の方向に移動します。これは、リジッドフレキシブル技術のとても良い使い方です! ただしこの構造は、前述した単純なバージョンに比べ、製造中にはるかに多くの処理が必要です。このような複雑な設計を行う方法はいくつかありますが、不必要なコストを増やさないよう、設計プロセスの早い段階で製造者と協力することを強くお勧めします。最初の質問に答えるなら、リジッドフレキシブル技術では、リジッド回路とフレキシブル回路の両者の利点を活用できます。ただし、主にコストの問題で、すべてのアプリケーションに使用することはできないと言えます。リジッドフレキシブルの製造は、リジッド基板やフレキシブル回路の製造よりも複雑です。リジッドフレキシブル技術でパッケージングの問題を解決できない場合は、単に回路自体のコストではなく、設計の総コストを考える必要があります。多くの場合、リジッドフレキシブルによってワイヤ、ケーブル、およびその他の部品表項目を除外できるので、コストを節約できます。このトピックについてはこの後のブログで取り上げますので、引き続きご注目ください！今すぐ Altium Designer の無償評価版をリクエストして、世界最高のPCB設計ソリューションをお試しください！ご不明な点などございましたら、

完璧なものはない：許容差とIPC

PCBの寸法：公差とIPC ここで、我々は厳しい現実に大胆に立ち向かいます - 実世界で完璧なものなどありません。回路基板の設計において正確性を保つために最善を尽くしていますが、製造プロセスは不完全さを生み出します。 CADシステムはドリルが円形のパッドの中心に完璧に配置されていると仮定しますが、それは決してありません。特定のトレース幅を宣言し、実際の基板でそれを測定すると、常に予想よりもわずかに薄かったり厚かったりします。複数の層はコンピュータ画面上で完璧に整列していますが、製造業者はそれを完全に複製することは決してできません。常に何らかのミスレジストレーションが存在します。基板設計は平らであると仮定されますが、最終製品の基板は反ったり歪んだりすることがあります。一部のトレースをインピーダンス制御と指定しましたが、私たちの測定値は異なります延々と話を続けることができますが、ポイントを理解していただけることを願っています。設計者として、私たちは正確な数字を計算します。精密に設計します。CADシステムは理想の基板を示してくれます。実世界では、何もかもがそんなに正確ではありません。最終製品は理想とは何らかの方法で異なるでしょうが、願わくばそれが無害な方法であることを願います。どの欠陥が許容可能かをどうやって決定しますか？同じ製品のグループを測定すると、ある程度の変動が見られるため、各種測定に対して許容される範囲を定義し、どの点または限界で製品を不適合として拒否するかを決定する必要があります。これらの範囲を許容差と呼びます。例を挙げましょう：金属製の箱に取り付ける設計の回路図が与えられたとしますが、事前に定義された箱のサイズは、回路に実際に必要な領域よりも大きいとします。このタイプの設計では、部品を長方形のボードの端から離して快適に作業できる十分なスペースがあります。私たちの目標は、ボードが箱の内部に収まり、ボードの取り付け穴のパターンが箱の取り付けハードウェアに合うようにすることです。この状況では、ボードの端の寸法はそれほど重要ではなく、大きな許容差を許容できるかもしれません。では、同じ回路をパーソナルコンピューター用の標準サイズの拡張カードに収める必要があり、メッキされたエッジコネクタが必要だと想像してみましょう。このシナリオでは、回路に十分なボードエリアがあっても、ボードのエッジの寸法がより重要になり、ボードが適切にフィットするように許容差を小さくする必要があります。小さな許容差は、標準の製造プロセス制御内に収まるかもしれませんが、複雑さを増し、コストを上げ、検査をより困難にします。次に、回路を携帯電話の筐体の制約内にパッケージするという要件を考えてみましょう。新しいサイズの制約により、作業できるボードエリアはさらに少なくなり、寸法はより重要になります。設計者は、これらの期待を製造業者に明確に定義し、この設計は、これらの厳しい許容差を繰り返し維持できる製造パートナーに限定されるかもしれません。この例で私が示したかったのは、同じ回路が最終使用用途に基づいて異なる要件を持ち、異なる許容範囲を持つ可能性があるということです。しかし、ボードの外形寸法の許容差は、数十ある特性の中の一つに過ぎないことを理解してください。ボードの厚さ、めっきの厚さ、穴の直径、層の登録、最小環状リング、誘電特性などが重要な場合があります。成功した設計に貢献するパラメーターは多くあり、それぞれに対してある程度の注意を払うべきです。さて、回路基板のパラメーターがどのように変化するかをすべて調べ、それぞれに対して許容される許容差を定義し、それらをすべて仕様書にまとめたと想像してみましょう。次の設計が来たとき、前の仕様の全部または一部を使用できるかもしれませんが、大きく異なるパラメーターのみを変更します。この方法により、会社はほとんどの製品に適用される一般的なボード仕様を進化させることができます。このタイプの一般的な仕様は、類似の設計に取り組む複数の設計者や、軍事組織のような大規模な組織にとって効果的なツールです。実証された仕様はリスクを取り除き、設計プロセスから退屈で繰り返しの作業の一部を省くことができますが、すぐにいくつかの問題が生じます。電子業界の初期の年には、大企業によって仕様の開発に多くの努力が注がれ、これらの文書をプライベートに保持して競争上の優位性を維持する自然な願望がありました。したがって、多くの文書が著作権で保護され、組織間での経験のオープンな議論や共有はほとんどありませんでした。この状況をボード製造業者の視点から見ると