PCB Design and Layout

エンジニアの皆さん、こんにちは！今日は、Altium 365 MCAD CoDesignerがプリント基板アセンブリ（PCBA）の設計ワークフローにどのように役立つかを共有できることに興奮しています。Altium 365 MCAD CoDesignerが、Ribbotを動力とするカスタムプリント基板（PCB）を作成するのにどのように役立つかを学びましょう！ 柔軟な設計ツールで予測不可能なプロジェクト変更に対応する あなたが働いている業界によっては、設計のタイムラインは非常に短く、製品を納品するまでに数週間または数ヶ月しかありません。競争が激しく、ペースの速い市場では、厳しい締め切りに間に合わせるために品質の高い製品を提供することで企業は成功します。場合によっては、プロジェクトの途中で要件が変更され、範囲とスケジュールの変更が必要になることがあります。これらの設計変更に迅速に対応し、その影響を最小限に抑えることは、企業が成功し、競争力を持つための重要な側面です。これは仕事でのことはもちろん、次のRibbotのイテレーションを設計する際にも特に真実です。 理想の世界では、要件は明確に定義され、システムレベルの要件は、反復の必要性がほとんどまたは全くない状態でサプライヤーに流れます。しかし、実際には、短期間の締め切りがあり、多くの企業や専門分野が関与するプロジェクトでは、変更は全体的なシステムを作り出すための必要悪です。避けられないこととして、ボードのアウトラインが微調整されたり、電気性能の要件が更新されてより大きなキャパシタの使用が必要になったり、在庫があると思っていたコネクタが既に廃止されていることもあります。設計変更は起こり得るものであり、私たちはそれに適応できる設計ツールが必要です。 Altium 365 MCAD CoDesignerでPCB設計を効率化 Altium 365 MCAD CoDesignerを使用すると、 ECAD-MCAD設計ワークフローが無駄なプロセスステップを避けるように効率化されます。IDFファイルを生成する必要がなく、機械工学者と電気工学者は数秒以内にファイルを互いに行き来させることができます。これは、設計をサポートするために必要な頻度で変更が可能であることを意味します。 従来のPCB設計ツールを使用する場合、ECADエンジニアが設計が進むにつれて、MCADエンジニアに向けて複数のIDFアウトファイルを生成するのが一般的です。その都度、MCADエンジニアは新しいIDFファイルをインポートして構築する必要があります。MCADエンジニアはこれらのリビジョンを追跡して、最新のボードファイルが構築され、製品データベース管理（PDM）システム内に存在していることを確認する必要があるかもしれません。通常、MCADエンジニアは、設計が正式にリリースされると、最終的なボードファイルの構築を行います。

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電磁干渉（EMC）に対応するためのプリント基板（PCB）の設計には、電磁場と電流の観点から信号の伝播をしっかりと理解することが求められます。これらの概念は、電磁場の放出レベルを低く抑え、外部からの放出や干渉に対する感受性を低くするPCBの設計に役立つため、重要です。 この PCB設計におけるEMI制御のマスターシリーズの最初の記事では、これらの概念をより深く掘り下げ、プリント基板設計にどのように適用するかを見ていきます。 伝送線路における信号の伝播の概念 PCBにおける信号の伝播について考える際には、水がパイプを流れるという類似から、電磁場と伝送線路の観点にシフトすることが重要です。伝送線路は、含まれた電磁場の形でエネルギーを一地点から別の地点へ転送するように設計された構造です。プリント基板の文脈では、伝送線路は少なくとも2つの導体によって形成されます。これらの導体は、電磁場を含むことと、それらを回路内の別の地点に導くことにおいて同じくらい重要です。2つの導体のうち1つが欠けていると、信号を構成する電磁場は未含有のままとなり、これらの場の拡大によりEMC試験に失敗する可能性があります。 ここから浮かび上がる非常に重要な概念は、電磁信号は導体の内部ではなく、2つの導体の間の空間、すなわち誘電体の中に含まれているということです。EMCの観点からの私たちの目標は、2つの導体の間に含まれる電磁場を最大化し、その周囲にある電磁場を減少させることです。 図1 - PCBにおけるデジタル信号伝播の表現 PCBでは、信号伝播に使用される2つの導体は、信号ポテンシャル導体と戻りおよび参照ポテンシャル導体です。これをイメージする最も簡単な方法は、信号源に接続された上層が信号トレースをルーティングするために使用され、下層が信号源に接続された固体銅層であり、信号ポテンシャル参照にも接続されている二層基板です（図1参照）。私たちが信号と呼ぶものは、これら2つの導体の間に含まれる電磁場です。これは、信号が単一の導体に含まれているのではなく、これら2つの導体の間の誘電体に含まれる電磁エネルギーであることを意味します。また、これは誘電体の特性が信号の伝播に影響を与え、特に信号（またはEM波）が伝播する速度に影響を与えることを意味します。信号の速度は誘電体内の光速です。2つの導体の間には信号が存在するポイントと、まだ信号に達していないポイントがあります。デジタル信号において、これら2つの領域の間に完全な信号があり、まだ信号が存在しないポイントを 信号エッジまたは 信号波面と呼びます。これはデジタル信号における低レベル論理から高レベル論理への遷移ポイントです。 EMCの観点から、このポイントは非常に重要です。なぜなら、これは導体間で電場と磁場が低から高に遷移する場所だからです。このエネルギー状態が変化する速度が速いほど、すなわち信号が低レベルから高レベル論理に遷移する速度が速いほど、短時間でエネルギーの変化が圧縮されます。信号が伝送線路内でその源から目的地に伝播する際、信号波面または信号エッジが信号の伝播をリードします。 前方電流、戻り電流、及び変位電流 もう一つの重要な概念は、信号エッジが伝播するのを追うと、先端が電磁場の変化であるため、これが2つの導体の間の誘電体内に変位電流を生成することがわかるということです。この現象は、オリバー・ヘビサイドによってまとめられたマクスウェルの四つの方程式、特にアンペール-マクスウェルの法則によって説明されます。これをイメージする最も簡単な方法は、AC源が適用されたときのコンデンサーを考えることです（図2参照）。 図2 - Eフィールドが適用されていないコンデンサー（a）、正のEフィールドが適用されたコンデンサー（b）、負のEフィールドが適用されたコンデンサー（c） 実際には、コンデンサーのプレートとその誘電体の間に導電電流はありませんが、誘電体に含まれる束縛電荷は、コンデンサーのプレートの適用された電場に従って単に極性を持ちます（変位します）。これは、導電電流がコンデンサーのプレートを流れているかのように見えます。変位電流の概念は、信号伝播中に電流が形成される可能性があることを理解するために重要です。特に信号が負荷に達する前にです。古典回路理論の授業で教えられるように、電流は常にループで流れます。では、どうして信号が負荷に達する前、つまり、信号が源から負荷に向かい、再び源に戻って電流ループを形成するために連続的な導電電流を確立する前に電流が存在するのか ？これは変位電流のおかげで可能です。変位電流は、信号が伝播する際に電流がループ内で流れ続けることを可能にします。変位電流がない場合、導電電流だけがあれば、信号の伝播は起こりません。導電電流だけで作られた電流ループは、負荷に達する前にループを閉じることができないからです。これは、導電電流を通して誘電体を流れる電流が必要であることを意味しますが、定義上、これは不可能です。しかし、この見かけ上の電流、変位電流により、信号が伝播する際にループが瞬時に閉じます。

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半導体産業は、供給チェーンにおいて成長する課題に直面しており、今日話題にするのはチップ自体ではありません。高性能プロセッサの生産において重要な役割を果たすアジノモト・ビルドアップ・フィルム（ABF）が、潜在的なボトルネックとなっています。最先端の電子機器への需要が急増し続ける中、ABF基板市場はそのペースに追いつくのに苦労しており、チップメーカーとその顧客にとって不安定な状況を生み出しています。 半導体製造におけるABFの重要性 IC基板で最も一般的に使用される材料であるABFは、集積回路とプリント回路基板の間の重要なリンクとして機能し、電気絶縁、熱放散、および信号分配を提供します。1999年に アジノモトによって初めて導入されたABFは、そのユニークな特性のために高性能プロセッサのパッケージングにおける 選択材料としてすぐに広まりました。エポキシ樹脂と無機フィラーで構成されるこのフィルムは、優れた寸法安定性を提供し、 先進的な製造技術を通じてマイクロスケールの回路の作成を容易にします。 現代の電子機器におけるABFの重要性は、過小評価できません。CPU、GPU、SoCなどの先進的なコンポーネントを搭載するスマートフォン、コンピュータ、データセンター、そして増え続ける車両のパッケージングにおいて、第一選択の材料です。細い線幅をサポートする能力と、付加プロセスとの互換性が、高密度インターコネクト（HDI）および超高密度インターコネクト（UHDI）PCBの製造に不可欠とされています。 ABF需要と市場の成長 過去数年間でABF市場は顕著な成長を遂げています。 Thornburg Investment Managementによると、2020年の8億3250万ドルから2028年には30億1000万ドルへと成長すると予測されており、これは約17.43%の複合年間成長率（CAGR）を反映しています。このABFの急速な成長は、主に半導体産業によって推進されていますが、 超高密度インターコネクト（UHDI）PCBも成長の原動力となるでしょう。 ABF需要の増加を促す5つの要因 ABF需要の成長を促進しているいくつかの要因があります： ミニチュア化：より小さく、より強力なデバイスへの絶え間ない追求は、ABF需要の主要な推進力です。コンポーネントが縮小するにつれて、より高い密度と細かいピッチを扱うことができる先進的なパッケージングソリューションの必要性が高まります。例えば、現代のスマートフォンは、ポケットサイズのデバイスに初期のスーパーコンピューターよりも多くの計算能力を詰め込んでいます。このようなミニチュア化のレベルは、ABFのような先進的なパッケージング材料を使用することでのみ可能であり、これにより、そのようなコンパクトな設計で必要とされる複雑な相互接続が可能になります。 5G技術：5Gは、大量のデータを高速で処理できる先進的な半導体を必要とします。ABF基板は、これらのチップをパッケージングする上で重要であり、5Gが約束する超高速、低遅延通信を可能にします。ABFの優れた電気的特性は、信号の整合性が重要な5Gアプリケーションに適しています。5G対応デバイスやインフラストラクチャの展開が続くにつれて、これらのアプリケーションでのABFの需要は大幅に増加すると予想されます。 持続可能性：ABFは、より効率的な設計をサポートし、全体的な材料使用量を削減できる能力のため、従来の材料と比較してより環境に優しいオプションと考えられています。ABF基板は、消費電力が少ない効率的なチップ設計を可能にすることで、持続可能性にも貢献します。これにより、携帯型デバイスのバッテリー寿命が延び、データセンターやその他の大規模コンピューティング設備の全体的なエネルギー消費が削減されます。 電気自動車（EV）：現代のEVは、バッテリー性能から自動運転まで、あらゆることを管理するために多数のセンサーやプロセッサーに依存しています。これらのアプリケーションに必要な高性能チップは、しばしばそのパッケージングにABF基板を使用しています。高度運転支援システム（ADAS）や自動運転技術には、洗練されたプロセッサーが必要です。これらの複雑で高電力のチップをサポートできるABFの能力は、EV技術の進歩を可能にする重要な要素です。 人工知能：AIの爆発的な成長も、ABFへの需要を高める強力な力です。AIアクセラレーターや特殊な機械学習プロセッサーは、チップ設計の限界を押し広げ、熱の放散と信号の整合性を管理するために高度なパッケージングソリューションを必要とします。ABF基板は、これらの最先端のアプリケーションにおいてしばしば選択される材料であり、さらに材料への需要を促進しています。

高速信号の整合性は、現代のPCB（プリント回路基板）設計において重要であり、性能、信頼性、およびコンプライアンスに影響を与えます。高速PCBを設計するには、クロストーク、電磁干渉（EMI）、および熱管理などの信号整合性の問題を管理する必要があります。この記事では、クロストーク、グラウンドプレーン戦略、電磁干渉（EMI）、および熱管理を含む高速信号整合性のいくつかの重要な側面を探り、実用的な洞察と例を提供します。これらの概念をさらに深く掘り下げ、拡張された戦略と詳細な例を提供しましょう。 電磁結合とクロストーク 電磁結合：隣接するトレースの信号は、互いに電磁場を誘導することができ、干渉を引き起こします。この現象は電磁結合として知られており、高い周波数でより顕著になります。例えば、密接に配置された高速データラインを持つPCBを考えてみましょう。あるトレースが高周波のクロック信号を運び、隣接するトレースが敏感なデータ信号を運ぶ場合、クロック信号によって生成された電磁場はデータ信号にノイズを誘導し、データエラーを引き起こす可能性があります。 トレースの近接性：信号トレースが互いに近いほど、クロストークの可能性が高くなります。この干渉を減らすためには、トレース間に適切な間隔を保つことが重要です。例えば、高速イーサネットPCBでは、ペア内の信号整合性を確保するために差動ペアが密接に配線されます。しかし、異なるペア間ではクロストークを防ぐために十分な間隔が保たれます。 高周波信号：高い周波数は、より強力な電磁場を生成し、クロストークを悪化させる可能性があります。信号周波数が増加するにつれて、適切なレイアウトと間隔を確保することがますます重要になります。例として、RF回路設計では信号がギガヘルツ周波数に達することがあります。RF信号トレースを他のデジタルまたはアナログトレースから分離して干渉を防ぐために特別な注意が必要です。 不十分なグラウンディング：不適切なグラウンディングはクロストークへの感受性を高めます。固定された連続的なグラウンドプレーンは、リターン電流のための低インピーダンスパスを提供し、信号干渉のリスクを減少させます。例えば、多層PCBでは、信号層の直下にグラウンドプレーンが配置されます。これにより、リターン電流が明確なパスを持ち、クロストークの可能性を最小限に抑えることができます。 高速デジタル通信分析において使用されるアイダイアグラムは、開いたアイパターンを通じて信号整合性を示し、色のグラデーションが信号密度と性能を示しています。 EMI軽減技術 適切なPCBレイアウト： トレースのルーティングを最適化し、ループ領域を最小限に抑え、グラウンドプレーンを効果的に使用することで、EMIを大幅に削減できます。例えば、高速デジタル設計では、重要な信号トレースをグラウンドプレーンの間に挟まれた内部層にルーティングします。これによりループ領域が最小限に抑えられ、EMIに対する効果的な遮蔽が提供されます。 フィルタリング： フェライトビーズやキャパシタなどのフィルタを実装することで、高周波ノイズを抑制し、EMIを減少させることができます。例えば、フェライトビーズは電源ラインに配置され、高周波ノイズをフィルタリングし、それが敏感なアナログ回路に伝播するのを防ぎます。 コンポーネントの配置： 騒音の多いコンポーネントを敏感なエリアから離して配置し、適切な遮蔽を確保することで、EMIを軽減することができます。例えば、混合信号PCBでは、アナログコンポーネントを一方の側に配置し、デジタルコンポーネントを反対側に配置し、その間にグラウンドプレーンを配置して隔離を提供します。 金属シールド： 騒音の多いコンポーネントを金属シールドで囲むことで、EMI放射を防ぎ、近くの敏感な回路を保護できます。例えば、PCB上のRFモジュールは、電磁放射を含むためにしばしば金属シールドで覆われ、隣接する回路との干渉を防ぎます。 グラウンディングとボンディング： 適切なグラウンディングとボンディングを確保することで、リターン電流の明確な経路を提供し、グラウンドループの可能性を減少させることにより、EMIを最小限に抑えます。例えば、グラウンディングストラップやビアを使用して異なるグラウンドプレーンを接続し、PCB全体にわたってリターン電流の低インピーダンス経路を確保します。 フィルタ設計： 容量性および誘導性フィルタを使用することで、望ましくない周波数を効果的にブロックし、EMIを減少させ、信号の整合性を向上させます。例として、入力ラインに使用されるローパスフィルタは、高周波ノイズをフィルタリングし、敏感なコンポーネントに到達する信号の周波数のみを確保します。