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レイヤーを剥がしてみる：電子PCBスタックアップグランドキャニオンを訪れたときに最初に気づくことの一つは、その信じられないほどの景色です。異なる色の岩や鉱物の層を通して、誰もが見ることができる歴史が刻まれたキャニオンの壁は本当に感動的です。何年もかけても、その層状の岩面に住んでいる、または住んでいたすべてのつながり、材料、生き物を発見することはほとんど不可能でしょう。私が情熱を持っていることに物事を結びつけるのをやめるのが難しいので、グランドキャニオンは、外層にあるガラス繊維、はんだマスク、その他の仕上げコーティングを持つプリント基板を思い出させました。電子PCBは複雑であり、必要な複雑さを満たすために十分な層を使用する必要があります。そのサイズにもかかわらず、PCBはグランドキャニオンの岩の層と同じくらいの深さと相互接続性を持っているように見えます。プリント基板の層の決定 PCBでは、ルーティング、トレース、ビアの間に内部層がありますが、銅面と銅面の間には、ファイバーグラスや類似の材料などの保護層もあり、これらはコアとプレプレグと呼ばれる層を形成します。コアは最も厳密な制御の下で製造され、電気信号の誘電率を指定してデカップリングし、設計からノイズを排除するために使用されます。プレプレグは制御が少なく、代わりに必要に応じてPCBの厚さを変えるために使用されます。プリント基板の層は、設計を実現するために必要な銅の量に基づいて進化します。エンジニアは、コンポーネントとトレースの密度と量を研究して、必要な層の数を決定します。次のステップでは、重要な信号を特定し、その性能を最適化するために配置する必要がある場所を決定します。これにより、コアの厚さ、トレースの配置と厚さ、およびの理想的な位置が確立されます。製造のための材料は、設計プロセスのこの段階で念頭に置かれる必要があり、設計が製造可能であり、コストを最小限に抑えることを確認する必要があります。層を使用してスタックを構築し、全体的な構造を定義するレイヤーを使用してスタックを構築し、その後にトレースを配置できます。各レイヤーは、銅、プレプレグ、またははんだマスクとして視覚化および定義できます。プレプレグ材料は、その電気的および製造特性の両方に基づいて選択されるほか、設計のための信頼性および安全性部門の要件を満たすためにも選択されます。この時点でビアの位置と配置が行われ、ビアの電流容量要件に応じためっきが施されます。設計にブラインドビアが必要な場合、これらはPCB内の適切な位置に含まれます。レイヤーを計画し、積み重ねる方法を知ることで、より良いPCBが得られます。スタック内でのPCBの構築を続ける回路図からレイアウトへのコンポーネントを取り出し、設計を最適化する位置に仮想プリント基板上にコンポーネントを配置できます。これに続いて、設計内のコンポーネント間やコネクタ、テストポイントへのトレースを追加します。部品が多ければ多いほど、トレースも増えます。トレースが増えるということは、銅と層が増えるということです。同じ方向に進むトレースは、衝突を避けるために異なる層に配置されることがあります。私は、互いに知り合っていても、通信しているか、隔離されているかにかかわらず、近くにあるが別々の岩の層内の異なるアリのコロニーを想像するのが好きです。コロニーは、互いに訪問するために平面間にトンネルを掘って合流することがあります。プリント基板では、ビアを使って同じプロセスが行われます。銅のトレースが他のトレースからの干渉なしにプリント基板を横切る必要がある場合、トレースが基板の別の平面を横切って続行できるように、ビアが基板に設計されます。設計ソフトウェアの賢いツールを使用すると、設計プロセスが容易になります。設計のすべてのステップをガイドするボードレイアウト機能を探している場合は、ツール内の要件を定義するための設計ルールシステムを備えたビジュアルレイヤースタックマネージャーを試してみてください。各層は、銅、プレプレグ、またははんだマスクとして視覚化および定義されることがあります。プレプレグは、その電気的および製造特性のためだけでなく、設計の信頼性と安全性部門の要件を満たすためにも選択されることがあります。

Thought Leadership 多層PCB設計の『パーフェクト・ワールド』を見つける私はずっとクリント・イーストウッドの大ファンです。20世紀の都会にいた私としては、ダーティーハリーが銃を少々使いすぎだという印象がありましたが、名無しの男のほうは手に負えない無骨さが時代にぴったりとマッチしていました。言うまでもなく、私は彼がごろつきを打倒したり、やくざ者よりも先に銃を抜いたり、女性を射止めたりするのをいつだって応援していましたが、最も興味をそそられたのは、彼が何でもあっという間に決断を下すことでした。もちろん、結果はそのときどきで違います。良いときもあれば悪いときもあります。それどころか、かなり悲惨なときもあります。 PCBの設計でも、多層PCBを選択するかどうかによって結果が変わります。多層PCBを無用に使用する設計者は大勢いますが、それによって設計が複雑になったり、製造コストが上がったり、現場での修正や修復が実質的に不可能になったりします。名無しの男が登場する大半の映画の筋書は、善人に対する悪人のむごい仕打ちや卑劣な行為から始まり、ヒーローが悪を正してエンディングを迎えます。この筋書きに沿って、PCBの設計と開発を失敗させ得る要因と、多層PCBを使用するかどうかの決断に組み入れるべき要素について見ていきましょう。多層PCBのハートブレイク・リッジ／勝利の戦場 PCB設計の観点から見ると、多層PCBはつい使いたくなってしまうものです。結局ところ、「小さければ小さいほうがよい」という考え方は現在の電子設計全体に広がっているようです。ただし、小さいことが設計の主な検討事項でない限り、その罠を避けるべき大きな理由があります。その例をご紹介しましょう。設計の複雑性: 多層PCBを設計する際は、すべてのスルーホールやビアを正しく整列させることが不可欠です。ここにミスがあると電流に影響が及び、取り付けに関する問題が発生することがあります。また、奇数のレイヤーや厚さの異なる内層を使用すると、基板の湾曲やねじれが生じることがあります。この場合は基板が取り付け不可能になったり、テスト用に格下げされたりします。これはまずい事態です。さまざまな種類の信号が多層PCBで配線される通信アプリケーションでは、一致しないインピーダンスやクロストークが原因で性能の問題が発生する場合があります。これもまずい事態です。製造コストの増加: 多層PCBの製造には、他の基板よりもはるかに高額なコストがかかります。必要になる材料も時間も増えるうえ、技術者は高度な技能を持っていなければなりません。レイヤー数を2つから4つに増やしただけで、製造コストが100%増加することもあります。これはまずい事態です。ベンチの修復が困難または不可能: 製造プロセスでも見られるように、小さなエラーは発生するものです。レイヤー数が奇数であったり、レイヤーのサイズが異なっていたりする基板の場合は、これが特にあてはまります。通常、シングルレイヤー（またはダブルレイヤー）のPCBでは、こうしたエラーを容易に修復して基板を使用できる可能性があります。ところが、内層に問題がある場合は修復が実質的に不可能で、基板は使い物になりません。これはまずい事態です。見落とされてしまうことがあるもう1つの問題は、レイヤーの増加による熱の上昇です。これは、製品を現場でしばらく稼働させないと表面化しません。製品が機能停止にいたるほど問題が深刻な場合は、Recall（リコール）、Redesign（再設計）、Remanufacture（再製造）の「3R」になってしまいます。これは悲惨な事態です。おわかりのように正しい選択をしない限り、多層PCBは重大な問題を引き起こす原因になります。ただし、長所もあります。選択と設計のプロセスについて慎重に検討すれば、クリント・イーストウッドのようにさっそうと夕陽の中へ去って行けるでしょう。

Thought Leadership PCBの実装図を作成して設計の意図を明確に伝える「一部、組み立てが必要です」この文言は、買ったばかりのものに心を躍らせていた人を恐怖に陥れます。実は、私にもそんな経験があります。それは、子どもたちへのクリスマスプレゼントとして購入したサッカーのテーブルゲームでした。サイズが大きかったために、私はゲームを箱に入れ、クリスマスイブの夜遅くまでガレージに隠しておきました。「それほど難しくはないはずだ」そう高を括った私は、子どもたちがベッドに入ってから、テーブルゲームを組み立て始めました。何杯ものカフェインを摂取し、指の節に痣を作り、部品を失くし、私を「行儀の悪い人リスト」に載せてしまうようないくつかの罵りを口にしながら、夜が明ける直前になってようやくベッドに入りました。クリスマスの朝の家族写真には、テーブルゲームで楽しそうに遊ぶ子どもたちと、もう1杯のカフェインにしがみつくゾンビのような父親が写っていました。組み立てが必要になるものはたくさんありますが、PCBの世界では実装が必ず必要になります。設計者は部品の配置やトレースの配線中に、実装について常に考えているわけではありません。ただし単純な事実は、設計者が設計したものを誰かが実装しなければならないということです。そこで必要になるのが、製造業者に基板の実装方法を伝えるための実装図です。これまでに実装図を作成したことがない場合は、この投稿を入門として活用できます。ご安心ください。これは分厚いマニュアルではありませんし、幼稚園に通う私の子どものお絵描きのような設計の見取り図も含まれていません。ここで必要になるのは、実装図のさまざまな要素のほか、PCBのレイアウトツールが実装図の作成にどう役立つのかについて理解することだけです。一番よいところは、ここに含まれる情報が読んでいただくものであり、実際の実装は必要ないという点です。 PCBの実装図には、部品の外形やデジグネータなどの要素が記載される PCB実装図の項目連携する製造業者にとって使いやすく正確なものにするために、実装図は複数の形態で作成できます。設計中はPCBが実際にどのようになるのかについて、必ず実装図で製造業者に伝えるようにします。自分が連携している製造業者に留意することは重要ですが、大半の実装図に共通する下記の基本的な要素を理解しておく必要があります。実装図の形式: CADシステムには、図面の形式が自動的に生成されるものと、個別のライブラリーの形状として図面を手動で作成する必要があるものがあります。いずれを使用する場合も、形式と設計データベースを組み合わせて実装図を作成することになります。基板外形: 製造図と同様に、基板外形を表示します。基板のサイズに応じ、画像を縮尺して実装図の形式に合わせたり、画像を拡大して詳細を表示したりすることができます。部品の形状: 基板外形内には、基板に半田付けされるすべての部品の形状とそれらのデジグネータを含めます。機械部品: 取り付け工具を使って基板に配置する機械部品も表示します。こうした部品は標準的なPCBフットプリントではないかもしれませんが、形状を個別に追加または描画しなければならないことがあります。機械部品の例としてはejector handleが挙げられます。これは電気部品ではないため、回路図に表示されない場合もありますが、実装図と部品表には含める必要があります。実装の注記: 基本的な実装の詳細、業界の標準や仕様に関する参照、特別な要素の位置が記載される指示の一覧です。識別ラベルの位置: バーコードや実装タグなどの識別ラベルは、実装の注記に含まれる特定のラベルへの参照や描画ポインターを使って含めます。