PCB Design and Layout

最近まで、PCB設計ソフトウェアとサプライチェーンソフトウェアは永遠に分離されたままでした。PCB設計ソフトウェアスイートで製品を作成し、その後、エクスポートされた部品表（BOM）を調達部門に持っていって部品を購入しました。過去のCADシステムがサプライチェーンを意識する能力がなかったため、どのようにして部品を選択し、可用性を確保したのかは今となっては謎です。 しかし今日になって、プロフェッショナルなPCB設計ソフトウェアはサプライチェーンはもちろん、異なるエンジニアリング分野の他の設計ツールとも高度に統合されています。これらの機能をすべて一つの屋根の下で統合することで、個々の設計者やPCB設計チームはワークフローを変更し、最終的にはより効率的になり、設計サイクルの早い段階で調達問題を排除するようになりました。 統合されたCADと BOM管理システムを利用するためにはどのようなプロセスを使用すべきか？この記事でその方法をお見せします。 PCB設計におけるBOMとは何か PCB BOMは、プリント基板を製造するために必要なすべての部品をリストアップした文書です。BOMは、調達チーム、製造業者、そしてエンジニアのための主要な参照資料として機能します。それは、各部品の仕様、数量、部品番号、および供給者情報を詳細に記載するべきです。 現代の電子部品BOM管理は、単純なスプレッドシートを超えて、設計プロセスの不可欠な部分へと進化しました。BOM管理ツールは、部品の可用性、価格、およびライフサイクルステータスのリアルタイム追跡を可能にし、PCB設計ファイルとの同期を維持します。 BOMは、設計と製造の間の橋渡しとして機能し、必要なすべての部品が正確に指定され、生産のために利用可能であることを保証します。数百から数千の部品を含む複雑なPCB設計の場合、適切なBOM管理はエラーを防ぎ、設計から製造への移行を効率化します。 早期にサプライチェーンを意識する 20年以上前にさかのぼると、設計者たちは紙のカタログから部品を探していました。BOM管理ツールは、せいぜい原始的なものでした。それらの部品が実際に在庫があるのか、廃止されたのか、またはNRND（新規設計非推奨）であるのかを、注文をするためにディストリビューターに電話をかけるまで知る術はありませんでした。今日になって、インターネットの魔法により、ディストリビューターの在庫数を直接PCBライブラリにリンクできるようになりました。 今、このデータをCADツール内で直接取得できるようになったので、設計のタイムラインをスケジュール通り、予算内で保つためにどのようなステップを踏むべきでしょうか？以下のことが必要になります： 設計から廃止されたコンポーネントを特定し排除する 必要な量でコンポーネントが調達可能であることを確認する 生産予算を破る可能性のある突然の価格変動を追跡する これを行うためには、設計プロセスの早い段階でサプライチェーンを意識するべきだと考えます。理想的な部品を選択してそれらが利用可能であることを願うのではなく、PCB設計ソフトウェア内で直接ディストリビューターデータへのリンクを使って早期にこれを確認します。 Altium Developは、これを実現するための3つの重要なツールを提供します： コンポーネントライブラリ内のサプライヤーリンク 製造部品検索パネル内のサプライヤーデータ

電子設計におけるBOMの複雑さを管理するための効果的な戦略を発見しましょう。これには、モジュラーデザイン、DFM、統合されたBOM管理ツールが含まれます。

高速および信号完全性への導入 デジタルシステムは、現代の電子機器の基本的な領域の一つです。高効率プロセッサーやFPGA、高速ADCコンバーターとDSPやFPGAを使用する広帯域データ取得システムなど、デジタルシステムの進歩は、さまざまな集積回路やモジュール間の相互接続を含むPCBを特に、電子設計に異なるアプローチを要求します。このアプローチは、現代の高速電子機器で使用される信号の種類に関連しています。 RS232やI2Cのような基本的でよく知られたインターフェースは、データスループットが秒間数百キロビットに限定されていますが、PCIeやUSB3.0のようなインターフェースを介して高速システムやモジュール間の相互接続は、秒間数ギガビット以上のデータレートを持つことがあります（これが高速システムや高速設計という用語の由来です）。 さらに、現代の高データレート相互接続のほとんどは、少数の信号線のみを使用するシリアル信号を使用します。そのようなシリアル線の一つが図1に示されています。いくつかの標準では複数の線が必要であり、ほとんどの場合、これらの線は差動ペアとして作られます。そのような標準の良い例はPCIeやJESD204です。 図1：シリアル高データレートリンク；送信機、受信機、および伝送路のインピーダンスマッチングは信号完全性にとって基本的です 高速設計の原則は、信号データレートとこの信号によって占められる帯域幅との間に直接的な関係があるため、無線周波数設計に似ています - データレートが高いほど、そのような信号によって占められる帯域幅も広くなります。また、高速信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間は、しばしば1ns以下で、スイッチング周波数は数GHzを超えることがよくあります。このような信号は、SPI、I2C、RS232などの低速規格で使用される信号とは異なる方法でPCBを伝播します。信号の帯域幅を念頭に置き、送信機（例：ADCのJESD204Bインターフェース）から受信機（例：FPGAの入力ピン）まで、データリンクの忠実度が維持されるように、PCBを正しく設計するためには、重要な注意が必要です。最も一般的には、LVDS（低電圧差動信号）規格が、高データレートモジュールやシステムを相互接続するため、または高速信号の標準化された仕様（例：電圧変動、論理レベル、インピーダンスなど）を提供するために使用されます。 高速信号の性質は、PCB上で伝送されるリンクと信号の高忠実度を保証するために、PCBと回路図の異なる設計ツールを必要とします（設計に費やされる時間の削減とともに）。信号の高忠実度は、信号の品質特性に関連するもので、信号整合性と呼ばれ、PCB/SCHの開発中だけでなく、専用ツールを使用したラボでの信号測定によっても検証できる伝送信号の多数のパラメータから構成されます。 Altium Designerは、高速プロジェクトに関連するすべての活動をサポートし、例えば以下のような多数の機能を提供することにより、信号整合性の制御手段を提供します： 回路図とPCBでの差動ペアの定義の可能性； 長さマッチングを伴うPCBエディタでの差動ペアのルーティング； 差動および単線信号線の制御インピーダンストラックの定義； 差動ペア内およびバス内での信号線の長さ調整； 信号整合性と高速のためのシミュレーションツールとDRCチェック； 消散因子、誘電率定数、銅の粗さを含むインピーダンスプロファイルでのPCBスタックアップの定義の可能性； コンポーネントの伝播遅延の定義の可能性 など。 これらの機能は、信号完全性に関連する設計エラーを軽減し、設計フェーズでの柔軟性を提供し、プロトタイピングコストを削減し、製品の市場への納品を加速させるのに役立ちます。

現代生活に不可欠である半導体製造は、エネルギーと資源を大量に消費する産業であり、電気、水、化学薬品、プロセスガスの消費が増えることで、エネルギー使用量と環境への影響が大きくなるという不幸な現実があります。これは、高度なチップ製造の複雑さが増すことと需要が増加することでさらに悪化しています。 「現在の成長パスがそのまま続けば、 今後数年間で半導体生産による炭素排出量は年約8%増加し2045年ごろにピークに達するだろう」とボストン・コンサルティング・グループは述べています。 これらの課題に対応し、世界中の政府が より厳しい環境規制を実施し始める中での圧力が増す中、半導体産業は、より環境に優しいプロセスに向けたイノベーションイニシアチブと研究開発努力を目指しています。代替ソリューションが注目を集め始めています。 ここでは、企業が直面する主要な課題と、半導体生産をより持続可能なものにするために化学プロセスがどのように進化しているか、そしてその移行を先導している業界リーダーについて詳しく掘り下げます。 持続可能性を達成するための重要な課題 地球温暖化ポテンシャル（GWP）：特定の期間（通常は100年）にわたって、温室効果ガスが大気中に閉じ込める熱の量を、二酸化炭素（CO₂）と比較して測定したものです。GWPが高いガスは、地球温暖化により大きく寄与します。 半導体製造をより持続可能なものにする最大の障害の一つは、製造に使用される多くの化学物質が、プロセスに不可欠でありながら環境に有害であるという事実です。必要であるとしても、適切に管理されない場合、これらの物質はしばしば有毒であり、人の健康と環境にリスクをもたらします。これらの化学物質から生じる廃棄物も処分が困難であり、さらなる環境問題を引き起こすことがあります。 半導体産業は、高いGWPガスの放出や膨大な水とエネルギーの消費により、その顕著な環境への影響で批判を受けています。これらの化学物質は半導体の機能性と性能には不可欠ですが、その環境への影響を完全に理解するには、少し遡って考えるだけで十分です。 1970年代から1990年代にかけて、アメリカ合衆国が半導体生産の主要勢力であった時期には、製造工場に関連する環境ハザードが広く認識されていませんでした。この期間中、多数のファブ（半導体工場）が存在するシリコンバレーは、連邦政府の清掃対象リストである国家優先事項リストに掲載されるほど汚染されたスーパーファンド（環境浄化対象地域）の場所となりました。例えば、1968年から1981年にかけて稼働していたIntelのサイトでは、EPA（環境保護庁）が地下水中にヒ素、クロロホルム、鉛を含む十数種の汚染物質を特定しました。 現在、業界は持続可能性に対して積極的かつ先見的な姿勢を取っていますが、これらの出来事は技術進歩と環境保全のバランスの重要性を強調しています。 半導体製造における化学物質の役割 半導体製造は、エッチング、クリーニング、ドーピング、材料のパターニングに不可欠な様々な化学プロセスを含みます。これらの化学物質は高性能チップの生産に必要ですが、しばしば危険な廃棄物や温室効果ガスの排出といった重大な環境上のデメリットを伴います。例えば： エッチング：ウェハー表面から材料の層を取り除き、チップの機能を定義する複雑なパターンを作成します。エッチングプロセスに使用されるパーフルオロカーボン（PFC）は、高度なマイクロチップに必要な詳細な構造を作成する効果があるため、ほぼ置き換えが不可能です。残念ながら、これらのガスは二酸化炭素よりも何千倍も高いGWP（地球温暖化ポテンシャル）を持っており、気候変動への影響が不釣り合いに大きいです。 クリーニング：ウェハーは、不純物を取り除くために、さまざまな段階で入念にクリーニングする必要があります。溶剤、酸、および塩基の使用は、半導体デバイスに必要な極端な純度レベルを達成するために不可欠です。残念ながら、これらの化学物質はしばしば有害であり、大量の廃棄物を生じさせます。 ドーピング：半導体材料に不純物を添加してその電気的特性を変更するプロセスです。アルシンやフォスフィンのような非常に有毒な化学物質がドーピングに一般的に使用されます。 持続可能性のための化学プロセスの革新 これらの化学プロセスの環境への影響を認識し、半導体産業は生産をより持続可能にするための代替手段や革新を積極的に探求しています。ここでは、最も有望な開発のいくつかを紹介します： より環境に優しい溶剤と洗浄剤

フレキシブル回路の設計は、経験豊富なPCB設計者でさえも難しいと感じる独特の課題を提示します。フレキシブル回路は重量の削減、スペースの節約、複雑な形状への適応能力など、重要な利点を提供しますが、細部に注意を払う必要があります。この投稿では、フレキシブル回路設計でよくある間違いと、それらを避ける戦略について探ります。 1. 曲げ半径の要件を無視する 曲げ半径は、フレキシブル回路設計において重要なパラメータです。これは、 フレキシブル回路を損傷を引き起こさずに曲げることができる最小の半径を指します。この限界を尊重しないと、材料の疲労、亀裂、そして最終的には回路の故障につながる可能性があります。 間違い: 設計者は、スペースの制約やその重要性の理解不足のために、正しい曲げ半径を無視することがあります。この見落としは、限られた回数の曲げ後に故障しやすい設計につながる可能性があります。 回避する方法：問題を避けるためには、材料の厚さ、種類、層数に基づいて適切な曲げ半径を計算し、それに従うことが重要です。一般的なガイドラインとして、フレックス回路の厚さの少なくとも10倍の曲げ半径を維持することが推奨されます。この基準に従うことで、銅のトレースと誘電体材料への不当なストレスを防ぎ、回路の寿命を延ばすことができます。 フレックスPCBにおける静的曲げと動的曲げの詳細を学ぶ 2. 不適切な材料選択 フレキシブル回路設計における 材料の選択は、回路の性能、柔軟性、耐久性に大きな影響を与えます。間違った材料を選択すると、回路の効果が損なわれ、早期に故障する可能性があります。 間違い：よくある間違いは、特定の用途に適しているかどうかを考慮せずに、コストだけに基づいて材料を選択することです。例えば、頻繁に曲げる必要があるアプリケーションで、硬すぎる材料を選択すると、初期コストは抑えられるかもしれませんが、回路の故障につながる可能性があります。 それを避ける方法：材料選択は、アプリケーションの要件によって決定されるべきです。例えば、ポリイミドはその高い熱安定性と柔軟性のために人気がありますが、環境条件や特定の使用ケースに応じて、他の材料の方が適切な場合もあります。さらに、接着層にも注意を払うべきです。これは、回路の全体的な柔軟性と耐久性において重要な役割を果たします。 3. トレースルーティングにおける鋭角 フレキシブル回路のトレースルーティングは、特に回路が頻繁に動かされたり、曲げられたりするアプリケーションでは、機械的信頼性を確保するために慎重な検討が必要です。 間違い：一般的に、硬質PCBのトレースルーティングは鋭角で行われます。これは、曲げられたときにストレス集中の場所を作り出し、トレースに物理的な損傷を引き起こす可能性があります。 それを避ける方法：フレキシブル回路の場合、鋭角ではなく、滑らかで徐々に曲がるカーブでトレースをルーティングすることが望ましいです。鋭い曲がり角はストレスを集中させ、トレースの亀裂や剥離のリスクを高めます。さらに、可能な場合はより広いトレースを使用することで、曲げに対する機械的耐久性が向上します。

この PCB設計におけるEMI制御をマスターするシリーズの第2記事では、電磁干渉（EMI）の低レベルを維持するための重要な概念の1つについてさらに詳しく掘り下げます。 ボードの分離、または ボードのパーティショニングとしても知られているこの方法は、プリント回路基板（PCB）の異なる回路部分を整理して分けるために使用されます。これにより、特にEMIの観点から、ボードの全体的な性能が向上します。この技術は、電磁干渉を減少させるだけでなく、PCB設計の信号整合性を向上させるのにも役立ちます。 これらの技術の背後にある原則には、次のものが含まれます： 高周波デジタル信号の高エネルギー内容を含有する。 ボード内の異なるタイプの回路間での共通インピーダンス結合を避ける。 外部干渉への免疫を向上させ、放射を減少させるために電流ループ領域を減少させる。 高速信号と低速信号及びその高調波 最初の概念は、急速に切り替わる信号によって生じる高エネルギー高調波の内容を制御し、その電流が時間とともにどれだけ迅速に変化するかについてです。電流の変化率が高いほど、信号の高調波エネルギーが増加し、放射の可能性が高くなります。 第二の概念は、信号のリターン電流が信号の周波数によって変化するということです。これは、信号が伝播中に遭遇するインピーダンスが、導体の抵抗だけでなく、その容量と、最も重要な、そのループインダクタンスも含むためです。信号の周波数が増加するにつれて、周波数に依存するインダクタンス成分（インピーダンスの一部）が大きくなります。 リターンパスの違い 電流は常に最小のインピーダンスの経路を求めるため、信号の周波数が増加すると、リターン電流はインダクティブループを最小限に抑えるために信号電流に密接に従うことが重要です。逆に、信号の周波数が低い場合、インダクタンスが小さくなり、インピーダンスの抵抗成分が支配的になります。 この段階では、リターン電流は最小の抵抗の経路を見つけるために導体の表面全体に広がります。PCB設計者にとって重要な点は、リターン電流の源への戻り経路が信号の周波数に依存するということです。 図1 - Altium Designerにおける周波数に基づく異なるリターン電流経路の例 PCB設計者としての私たちの仕事は、これらのリターン電流間の干渉を最小限に抑え、共通インピーダンス結合を避けることです。これにより、電磁放射を引き起こす可能性があります。これを実現するために、PCB内に特定のゾーンやセクションを作成し、それぞれを特定のタイプの回路に専用することができます。これにより、電流ループも減少し、差動モード電流からの放射が少なくなります。 異なる回路のリターン電流経路をさらに隔離するために