PCB Design and Layout

On Track Newsletter 2018年2月 第1巻第11号 Altium^® On Trackニュースレターの2月号をお届けします。この業界において、次世代のPCB設計者の育成に関する懸念が湧き上がっており、そしてその懸念には妥当な根拠があります。現在のPCB設計者のうち50%は約10年以内に引退すると推定されており、これは憂慮すべき統計です。 私は、ちょうど1年前にAltiumに入社して以来、次世代を担う新しい設計者とテクノロジーについて、数多くの兆候を全世界で目撃してきました。 今月のニュースレターでは、このような例を2つご紹介しましょう。ロックスターとスーパーヒーローでは、フロリダ大学の修士コースでNSF出資の研究所に参加し、天文についての経験を積んだ後、18か月前にNASAに就職した、James MacKinnon氏を紹介します。 スタートアップスナップショットでは、FIRSTロボット工学コンテストで部分的に子供たちにより発案された、新しく新奇なロボット工学アプリケーションについて解説します。 On Trackビデオシリーズでは、今回もJohn Magyarがホワイトボードの前で、組み込みのアクティブおよびパッシブコンポーネントについて解説します。 最後に、今月の目玉として、皆様の頭を鋭くし、情報通になれるよう、いくつかの素晴らしい頭の肥やしと地域ニュースを紹介します。 On Trackでいつも最先端の情報をご覧ください! Judy Warner

様々なPCBライブラリの種類や方法論が存在し、どれを設計プロセスに取り入れるかは多くの要因に依存します。しかし、どのライブラリ方法論が最適かをどうやって知ることができるでしょうか？続きを読んでみてください。 様々な種類のPCBライブラリや方法論が存在し、どれを設計プロセスに取り入れるかは多くの要因に依存します。一部の小規模ビジネスユーザーは、必要最低限でありながらも非常に柔軟なコンポーネントの表現だけを必要とするかもしれませんが、企業ユーザーは、サプライチェーンへのリンクを含む、非常に特定の読み取り専用の表現を必要とするかもしれません。 その間にいる多くの異なるタイプのユーザーは、全く異なる要件を持っているかもしれません。その結果、この広範囲の要件を満たすために、いくつかの異なるPCBライブラリの種類や方法論が存在します。しかし、特定の設計ニーズに対してどのライブラリ方法論を実装するかをどうやって知ることができるでしょうか？ PCBライブラリの種類と方法論を理解する 利用可能な様々なライブラリの種類と方法論を理解することで、ライブラリ方法論を選択し定義する際に、情報に基づいた決定を下すことができます。統合ライブラリ、データベースライブラリ、コンポーネントライブラリなど、多くの新しいライブラリ用語に出会うかもしれません。これらは、いくぶん馴染みのあるスキーマティックライブラリやPCBライブラリに加えてのことです。しかし、それぞれの目的は何でしょうか？どのライブラリ方法論があなたにとって最適なのでしょうか？ まず理解することが重要なのは、異なるユーザー要件を満たすためにいくつかの異なるライブラリ方法論が存在するということです。さまざまなライブラリ方法論の簡単な概要と各ライブラリタイプの説明をするだけで、ライブラリに関するトピックは簡単にナビゲートして理解できるようになります。そこから、あなたやあなたの組織に最適なライブラリ方法論を決定できます。 必須ライブラリ まず、全体的なライブラリ方法論に関係なく、必須のPCBライブラリタイプについて説明します。PCBを作成するために最低限必要とされる2つの主要なライブラリタイプは、回路図ライブラリ（*.SchLib）とPCBライブラリ（*.PcbLib）です。 回路図ライブラリには、回路図シンボルによってグラフィカルにも電気的にも表される1つ以上の回路図コンポーネントが含まれています。特定のパラメトリック情報（部品番号やコンポーネント値など）は通常、各コンポーネントに追加され、部品表（BOM）の生成時にアクセスできます。1つ以上のPCBフットプリント、およびオプションのSPICEシミュレーション（*.MDLまたは*.CKTファイル）と信号整合性（SI）（*.IBIS）モデルが、回路図コンポーネントにリンクされています。 PCBライブラリには、コンポーネントの物理的なパッド配置やその他の機械的属性を表す1つ以上のPCBフットプリントが含まれています。オプションで、コンポーネントの物理的形状を3Dモードで表現するために、STEP形式（*.STEPファイル）のソリッドモデル3D情報をフットプリントに追加することができます。 回路図とPCBライブラリの関係 最も基本的な方法論として、これらの必須な回路図とPCBライブラリは、コンポーネントを管理するために使用できます。このような方法論では、回路図のコンポーネントがデバイスのすべての可能なビュー（グラフィカルシンボル、電気的接続、ソリッドモデル、SPICE混合信号シミュレーション、およびSIモデル）のコンテナを表します。これは大きな単純さと究極の柔軟性を提供しますが、この方法論は厳格な企業レベルの要件を本当にサポートしていません。多くの別々のファイルを管理することは困難であり、ライブラリ関連の設計エラーの可能性を高めます。 適切なライブラリ方法論の選択 あなたの設計に最も適したライブラリ方法論を知るためには、利用可能なライブラリの種類と方法論の全範囲を最初に理解する必要があります。さまざまなPCBライブラリの種類と方法論についてもっと学びたいですか？無料のホワイトペーパー 新規ユーザー向けライブラリ方法論の定義ガイドを今日ダウンロードして、あなたの設計プロセスに最適なライブラリ方法論を発見してください。

過去数年間にわたってカフェの文化は大幅に進化しており、新しいカフェの多くでは、店に何か独創的な工夫を加える新たな方法を探し求めています。カフェと本屋を組み合わせたり、特定地域のコーヒー豆の技術を持つバリスタを抱えるグルメ向けコーヒー、さらには猫カフェなどの変わり種も出現しました。 しかし、結局のところ、カフェの客が求めているのは飲み物や軽食を口にする、友達と会って話をする、またはオフィスや家庭の外で何かの仕事を片付けることです。表面的な飾り付けで店を際立たせることもできるかもしれませんが、主要な概念は比較的変化しないものです。これは、プリント基板部品の選択肢の決定とよく似ています。 長年にわたるロボティクス、AI、IoT開発とともに、小型、高性能、低コストの組み込みRFトランシーバー ソリューションに対する需要は増え続けています。設計者がセラミックチップと基板トレースのどちらのアンテナタイプを選択するかを左右する主要な要因がコスト、基板レイアウト、専門技術であることは依然として変わりません。 基板アンテナ: 使用周波数範囲の確認 従来は、設計技術者はより信頼性の高いトレースアンテナについて 目的の周波数範囲と出力のトレードオフを検討していました。今日の組み込みアンテナのハードウェアは、400MHz～5.5GHzの間の特定の帯域で動作するように割り当てられています。セラミックアンテナの実装がより信頼性が高く、安価で、使いやすくなるにつれ、この競争は過熱しつつあります。 実際には、製造前に設計者が基板設計CADでプリント基板上に配置する単純なワイヤトレースの費用はわずかなものです。トレースアンテナは低コストであるにもかかわらず、依然としてセラミックチップアンテナが好まれることはよくあります。セラミックチップアンテナによって得られる小型化、実装の容易さ、環境からの干渉に対する耐性の高さがコストを相殺する場合があるためです。 基板トレースアンテナ 基板トレースアンテナは、特に小型で高信頼度の実装において、設計、実装、調整が難しいとされています。ワイヤアンテナと同様、トレースアンテナのサイズは目的の帯域幅の周波数で決まります。例えば低い周波数では、信号を共振させるにはトレースアンテナの長さをより長くする必要があります。 セラミックチップアンテナと比較して、基板トレースアンテナには次のような利点があります。 トレースアンテナは製造プロセスでプリント基板に組み込まれる 最適に調整した場合、トレースアンテナはネットワークの信頼性と信号強度を高めると同時に広い帯域幅で動作できる トレースアンテナは薄型である 基板トレースアンテナの欠点を以下に示します。 特に低い周波数で、設計が困難である。基板レイアウトの変更の影響を非常に受けやすく、変更するごとに調整が必要となり、場合によっては製造のやり直しが必要 セラミックチップアンテナよりもはるかに多くの面積を必要とする。特に低い周波数の設計ではこの問題が顕著である。多くの基板面積が占有されるため、設計のコストが増大する トレースアンテナは、環境からの干渉の影響を非常に受けやすい 基板トレースアンテナは、製造後に設計者が物理的な変更を加えることができません。変更が必要な場合、ユーザーは設計を変更してから基板を再度製造する必要があります。基板アンテナはサイズが大きくなる可能性があり、設計/調整プロセスに時間を要する（通常、シミュレーションソフトウェアや大規模なテストが必要です）という性質が、基板の設計者が基板アンテナの代わりにセラミックチップアンテナを使う動機となる場合があります。

Judy Warner: Shaneさん、お会いできて光栄です。珍しい社名ですね。お話しを始める前に、ぜひその由来をお聞かせください。 Shane Zinner: この辺りには、Niwot（左手という意味）（1825–1864頃）というネイティブアメリカンの族長がいました。彼はアラパホ南部の部族のリーダーで、コロラドの歴史上重要な役割を果たしました。Left Hand Canyon（峡谷名）やLeft Hand Brewery（地ビール醸造所）、コロラド州のNiwot（地名）など、彼の名前に由来して様々な名称に「Left Hand」が使われています。ですから、設立者たちがコロラド州のNiwot出身であることを考えると、社名を「Left Hand Robotics」としたことも納得できます。 Chief Niwot（「左手」の意）とそれにちなんだ社名のLeft Hand Robotics Warner: 興味深い背景ですね。それで、Left Hand

Judy Warner: Jamesさん、ご自身の学歴と、どのようにしてPCBの設計を習得したかを教えてください。 James MacKinnon: フロリダ大学の3年と4年のとき、ごく単純なPCBの設計が必須の授業がありました。基本的に、このクラスの単位を取れないと卒業できません。それに電気工学のクラスだったので、PCBの製作が求められたのです。3年生の設計課題は単純な回路でした。ですが、4年生になると、かなり複雑な回路を作らされます。このような経緯で、私はPCBの設計とAltium Designerに出会ったわけです。 Judy Warner: 実質的に、大学である種の基板設計の基礎を教えてもらったということですか。なかなか珍しいケースですね。 James MacKinnon: ええ、そうなんです。「基礎」という言葉はいい表現ですね。3年生の授業では、非常に単純な回路のレイアウトが課されました。そのときの回路には、単純なマイクロプロセッサーの、たぶんI/Oラインが含まれていました。私が作成したのはモーターコントローラーだったので、PWMラインでした。授業では、プログラムの使い方、単純な2層基板の設定方法や基本的な配線方法を教えてもらいました。4年生のときの設計では、高速配線、複雑なアナログ設計、インピーダンス整合など、より複雑な要素を扱いました。授業では、基板設計のさまざまな側面について学ぶ講義の時間があり、そこから色々なことを教えてもらいました。とはいうものの、実際には、修士号を取って初めて、本格的な基板設計やAltium Designerの多岐にわたるツールについて習得できました。 Altium Designerは、学部の授業で使用されていたので、修士課程でも使用したのだと思います。私は、フロリダ大学で学士と修士の両方の課程を履修したので、学部で使用したさまざまな器材や習得内容を修士課程で活用することができました。電気工学科が必要なライセンスを取得していたので、誰でも使用できました。修士課程では、CHREC（ Center for High-Performance Reconfigurable

子供の頃、私はスーパーマリオのすべてに夢中でしたが、正直、誰もがそうでしたよね。特に、スーパーニンテンドーの古い学校版にはまっていました。プラットフォームからプラットフォームへと跳ねること、ピクセル化されたカメの甲羅を投げること、プリンセスを救うこと…なんて人生でしょう。ゲームの中で最高で、少し変わった部分は、あちこちにあるように見える小さな緑のチューブを出入りすることでした。それらを作ったのは誰？そもそもなぜそこにあるのか？ 奇妙なことに、ほぼ一生の後、私は回路基板を見つめ、まったく同じ質問を自問していました。どこにも繋がっていないように見える小さな穴が、グラウンドプレーンやはんだマスクの上に文字通り散乱していました。ここで登場するのが、ブラインドビア、バリードビア、スルーホールビアです。 私たちが、世界が私たちの設計をより小さなスペースに押し込めようとしているという事実について話し続けるにつれて（同じ話、違う日）、これらの世界的な要求を満たすことを可能にする新しくてエキサイティングな技術的および製造上の進歩を学び続けます。多層ボード（高層カウント）の積層からフォームファクターの変更まで、ブラインドビアやバリードビア、そしてスルーホールビアを導入することで、さらに一歩踏み出します。 ブラインドビアとバリードビア：一歩進むか、毒キノコか？ それぞれの緑の管がどこに繋がっているのかを発見しようとする過程で、どの秘密の部屋にたどり着くかわからないのが、半分の楽しみだったのではないでしょうか？恐れることはありません。スーパーマリオが緑の管から緑の管へと推測を続けさせることが目的であったとしても、HDI PCBを設計することは（願わくば）まったく逆です。厚い戦略書を見ることなく、PCB全体に穴を開ける場所と理由を正確に知るべきです。 ビアは、PCB層のトレースを通して穿孔され、別の層の別のトレースに接続するためだけの穴です。これらは、各層を何らかの方法で接続する必要がある多層PCBによく存在します。 多層プリント基板に組み込むことができるビアには、3つの異なるバージョン（ブラインドビア、バリードビア、スルーホールビア）があります： ブラインドビア：これらは、プリント基板の外層を内層に接続しますが、それ以上は進みません。したがって、4層のPCBがある場合、最初の2層にはトレースを通して穴が開けられますが、3層目や4層目には開けられません。 埋め込みビア：これらは、2つ以上の内部層を互いに接続します。再び、4層のPCBでは、第2層と第3層がドリルで穿たれて接続されますが、外側の層である第1層と第4層には穴が開いておらず、基板上では単に空白のスポットのように見えます。 スルーホールビア：今お分かりの通り、これらは文字通り「全体のボードを通して」穿たれ、外側の第1層と第4層を接続します（または4層を接続する他の組み合わせ）。 適切なビアの理解が設計の成長を促進します プリンセスを救うという壮大なミッションには重要でないように見えたこれらの緑のチューブは、中に飛び込んだり出たりするのがとても満足できる以外に利点はないようでした。一方、ビアは多層PCBにおいて重要な役割を果たします。 時代が進むにつれて、そして今日このごろの「小さいほうが良い」という考え方の中で、私たちは できるだけ多くのスペースを節約するという課題に直面しています。ビアを使うことで、理論上は、トップレイヤー（そこにはすべてのコンポーネントも配置されています）でスペースを取るトレースルーティングをすべて回避し、必要な配線を第2、第3、あるいは第4レイヤー内で行うことが可能になります。これは、スペースを節約する技術を探している一部の設計者にとっては神の恵みかもしれません。 ブラインドビア、バリードビア、またはスルーホールビアをボードに実装する際に得られるもう一つの利点は、トレース間の寄生容量が低下し、それが設計に深刻な影響を及ぼす可能性があるのを防ぐことです。この寄生容量の低下は、トレースリードを短縮することで実現された改善によるものです。必ずしも主な理由ではありませんが、正しく設計されていれば、ビアを設計に追加することで確実に利益を得ることができます。 ビア適用前のその他の考慮事項 席から飛び上がってどこにサインすればいいか探しているかもしれませんが、ビアを設計に取り入れることのいくつかの欠点があるため（なぜいつも欠点があるのでしょうか？）、ちょっと待ってください。 ビアと 多層基板は密接に関連しており、複数の基板に何かを行う場合、コストの考慮が必要になります。これには、1枚だけでなく、2枚、3枚、さらには4枚の基板を正確に同じ位置で貫通するビアの穴のドリル加工が含まれます。ドリル加工と積層のプロセスにわずかな公差エラーがある場合、基板は事実上使用不可能になります。