PCB Design and Layout

PCBの設計と熱管理は密接に関連しており、熱問題は回路基板とそのコンポーネントの有用寿命を大幅に短縮させることが知られています。アクティブコンポーネントとパッシブコンポーネントによって回路基板内で発生した熱は、コンポーネントの近くに閉じ込められがちで、ほとんどの回路基板の基材の熱伝導率が低いため、高温度の上昇を引き起こします。回路基板とコンポーネントを高温と低温の間で頻繁に循環させると、システムの寿命が短くなり、コンポーネントや銅導体の早期故障につながる可能性があります。 どの設計者も、コンポーネントから発生する熱を管理する方法を検討すべきです。これらの異なる戦略の中で、設計者は各アクティブコンポーネントに熱パッドとヒートシンクを使用したり、内部層の銅プレーンの創造的な使用、高熱伝導率の基板材料、そして高出力を散逸するアクティブコンポーネント近くの熱ビアを利用することができます。コンポーネントの戦略的な配置も、プリント回路基板内のホットスポットの形成を防ぐために重要です。 Altium Designerの設計および分析ツールのおかげで、ほとんどのPCB基板材料の高い熱抵抗にもかかわらず、基板の温度を許容範囲内に保つ戦略を立てることができます。PCBレイアウトツールを使用すると、熱伝導率が高くカスタムスタックアップのある基板と共に、熱ビア、受動および能動冷却対策を設計できます。 ALTIUM DESIGNER 高度なPCBレイアウト機能と包括的なビアおよびパッド設計機能を統合した統一されたPCB設計プラットフォームです。 任意の回路基板上のコンポーネントは運用中にいくらかの熱を発生させ、積極的な設計者は運用中の過度の温度上昇と戦うための措置を講じるでしょう。オーバークロックされたゲーミングPCを見たことがあるなら、グラフィックカードやプロセッサから熱を取り除くために使用される大型の冷却ファンや液体冷却システムに馴染みがあるでしょう。おそらく、あなたのPCBはそのような極端な熱放散対策を必要としないでしょう。しかし、コンポーネントから熱を取り除き、基板全体に均一な温度分布を生み出す方法を考慮するべきです。 多くの回路基板の基材には高い熱抵抗があり、アクティブコンポーネントの近くにホットスポットが形成されることがあります。これらのホットスポットは、大量の熱を発生させるアクティブコンポーネントの近くに蓄積する傾向があります。PCB内の温度上昇と戦うさまざまな方法の中で、熱ビアはアクティブコンポーネントから熱を遠ざけてスタックアップの内部層に輸送するのに特に有用です。 パッドの下にダイアタッチパドルを備えた適切な数密度で熱ビアを配置することは、内部基板層に熱を輸送する方法の一つです。問題のコンポーネントの下に熱ビアの数と配置を最適化すると、最良の結果が得られます。ヒートシンクと各アクティブコンポーネント上の熱パッドの使用、およびいくつかのアクティブ冷却策と組み合わせることで、コンポーネントの温度を最大定格値以下に保ち、回路基板の寿命を延ばすことができます。 熱ビアとは何ですか？ 電力エレクトロニクス用のデバイス、高速プロセッサ、高周波コンポーネントなど、多くのアクティブコンポーネントは運用中に大量の熱を発生させるため、これらのデバイスは定格最大温度以下で運用するために何らかの熱放散方法が必要です。熱ビアは、スタックアップを通過するコンポーネントの下に配置されたビアのことです。これらのビアはスタックアップ内のグラウンドプレーンに接続して、内層に熱を伝達し、そこからグラウンド層を通じて基板の残りの部分に熱が伝導します。 熱ビアはスタックアップ全体で熱放散を提供するようにスルーホールビアとして配置することができます。これらの熱ビアのアニュラーリングは、対象コンポーネントの下の表面層ではんだマスクを通して見えるべきです。ダイアタッチパドルにはんだ付けして、構造全体に均一な熱伝導性を提供することができます。これらのビアをエポキシで充填したり、めっきすることも良いアイデアです。これにより、はんだが基板の裏側に吸い込まれるのを防ぎます。基板全体の温度分布を調べると、熱ビアから離れるにつれて表面層と内層の温度分布が広がっていくことがわかります。 熱ビアから基板基材への熱輸送 SMDコンポーネントの下の熱ビアの配置 多くのコンポーネント、例えばQFPパッケージのコンポーネントには、コンポーネントの底部にダイアタッチパドルが含まれており、適切なパターンで熱ビアを配置する必要があります。適切な数の熱ビアを適切なピッチで配置することで、構造の効果的な熱伝導率を最適化し、最大量の熱を基板に輸送し、環境の周囲温度に近づけることができます。一般に、製造予算の範囲内でより多くの熱ビアを選択するべきです。 回路基板上の熱ビアの例示的な間隔 多くのプリント基板がFR4基板上に設計されているため、この基板材料の高い熱抵抗は、基板の温度を下げるために何らかの熱放散方法を必要とします。設計者は、基板とコンポーネントの温度を許容レベルにするために、熱ビアを他の熱放散方法と組み合わせることを検討すべきです。これは、基板が高温と低温の間で繰り返しサイクルされる場合に特に重要です。 サーマルビアは、PCBの熱管理戦略の一部に過ぎません。サーマルビアが内層への熱の放散に十分でない場合は、ヒートシンク、サーマルパッドやペースト、冷却ファンなど他の熱放散方法を含めるべきです。 PCBの熱管理戦略を立てる方法についてもっと学ぶ。

Altium のCADツールは、SMDパッドおよびスルーホールピンのサーマルリリーフ設計に最適です。

Altium Designerを活用すると、作成した製造図に基づいて正しいPCBが予算内でスケジュールどおりに製造されるようになります。 Altium Designer 製造のあらゆる工程をこれまでよりも容易で確実にすることを目的に構築された基板設計ソフトウェア 回路設計、シミュレーション、同期、コンポーネントの配置、配線、デザインルールチェック――これらは設計者が長年にわたって取り組んできたよく知られている基板設計のプロセスですが、この後には製造業者へのドキュメントの提出という最後のステップが待っています。これらのドキュメントが正しく作成されていないと、それまでの作業が無駄になってしまうこともあります。製造図などのドキュメントは、最終的なPCBと同等に重要です。最良と言えないものを提出するわけにはいきません。 そこで活用できるのがAltium Designerです。この強力な基板設計ソフトウェアには、回路設計とPCBレイアウトを容易に実現する高度なツールだけでなく、自動出力機能も数多く搭載されています。たとえば、設計をパネル化する機能を活用したり、ジョブ出力ファイルを使って完全な製造パッケージを製造業者に送ったりすることが可能です。また、Draftsmanでは図面テンプレートの設定と同じくらい簡単に製造図を作成できるうえ、大半の作業は自動で行われます。少し肩の力を抜いて、できる限り最良のPCB設計を実現するために構築されたAltium Designerに仕事を任せましょう。 製造業者に提供するPCB設計ファイル 製造業者によって製造されるPCBの品質を最大限にするには、優れた図面と出力ファイルを提供する必要があります。そのためには、製造業者が出力ファイルで必要なものを確実に把握しておかなければなりません。データの誤りや欠落が原因で誤って製造された製品はたくさんありますが、それは何とも避けたい事態です。PCBが想定どおりに製造されるために、出力ファイルに含めるべきデータをご紹介しましょう。 製造業者が全体像を把握できるようにする 製造業者を最大限に活用するには、完全なデータと詳細情報が網羅された設計ファイルを提供しなければなりません。 製造業者は、製造図やドリルドローイングをPCB製造の手引きとして使用します。 優れた製造図の作成についての詳細を見る PCBにすべての部品を実装する方法は、実装図を使って製造業者に指示します。 実装図に含めるべき内容を確認する 大半のPCBはガーバーファイルのデータを使って製造されます。ガーバーファイルについての詳細をご確認ください。 ガーバーファイルの基本について確認する Altium

高速信号と高周波信号に共通する一つの要素があります。それは、低損失、低分散の相互接続でインピーダンス制御されたルーティングが必要であるということです。PCBのインピーダンス制御は、適切なルーティングツールと設計ツール内に統合された インピーダンス計算機がなければ達成が難しいです。ほとんどのインピーダンス計算機は、PCB基板上の実際のトレースを正確に表現しない基本方程式を使用し、信号伝播を正しく記述しません。 基準以下のPCB設計機能にボードの機能性を危険にさらす代わりに、入手できる最高の高速設計ユーティリティセットが必要です。最高のPCB設計ソフトウェアには、実際のPCB基板の材料特性を考慮した正確なPCBインピーダンス計算機が含まれています。これらのツールは、高品質の回路基板をルーティングするのに役立つように、回路図やPCBレイアウト機能とも統合されるべきです。統合ソフトウェアパッケージを使用することで、PCBのインピーダンス制御を確保し、生産性を維持できます。 ALTIUM DESIGNER プロフェッショナルな設計者向けに制御されたインピーダンスルーティング機能を備えた統合PCB設計アプリケーション。 高速回路基板やRF回路基板では、基板内の信号が目的地に到達するために非常に正確なルーティングが必要です。高速/RF設計者は、回路基板において正しいインピーダンスの設計が重要であることを知っておくべきです。高速信号を運ぶすべての接続部は、強い反射がなく負荷部品に電力が伝達されるように、正しいトレースインピーダンスを持たなければなりません。 次のPCB設計を行う前に、制御インピーダンスが必要かどうか、そしてそれをどのように計算するかを確認してください。PCBインピーダンスは手計算できますが、最適なPCBルーティングツールセットを使用してレイアウトを作成するときに計算が最も簡単です。制御インピーダンスの風景においてPCBルーティング機能がどのように適合するかを本当に理解するには、インピーダンスがどのように計算されるか、そしてほとんどのPCBインピーダンス制御計算機ができないことを理解することが役立ちます。 PCBトレースインピーダンス計算 誘電率定数とトレースの形状が分かっている限り、回路基板内のトレースインピーダンスを計算する方法はいくつかあります： マイクロストリップまたはストリップラインのインピーダンスに対してIPC-2141方程式を使用する Waddelの伝送線方程式を使用する 分散と銅の粗さを考慮できるフィールドソルバーを使用する ほとんどのトレースインピーダンス計算機は、IPC-2141メソッドに基づいていますが、これは今日のモダンな高速・高周波PCB設計には不正確であるとされています。Waddelの方程式は、インピーダンスを計算するための最も正確な分析ツールとして広く認識されていますが、PCBインピーダンス制御には使用が難しいです。これは、インピーダンス目標に到達するために必要な最適なPCBトレース幅を決定するために、これらの方程式を解くための数値アルゴリズムが必要だからです。 これらの方法の代わりに、PCB設計ツールには、インピーダンス目標に到達するために必要なトレース幅を自動的に計算できる機能が含まれているべきです。 インピーダンス計算に分散と損失を含める 実際のPCBラミネートには、インピーダンス計算に含める必要があるいくつかの損失、銅の粗さ、および分散があります。損失と分散を考慮することは、インピーダンス計算のための統合フィールドソルバーを備えたPCB設計ツールにアクセスできる場合、簡単です。Altium Designerの設計ツールを使用すると、複雑なモデルや方程式を使用せずに必要なインピーダンスを簡単に計算でき、インピーダンスプロファイルに準拠するためにボードのルーティングを開始できます。 正確なインピーダンス制御を確保するために、すべての損失源はPCBインピーダンス計算に含めるべきです。 回路基板レイアウトにおける損失と分散についてもっと学びましょう。

回路基板が動作中にどのように熱くなるかは、主にPCB基板と銅伝導体の物理的特性で決まります。回路基板の熱解析方法は、動作中に基板がいつどこで熱くなるか、また基板がどれだけ熱くなるかを予測することを目的としています。この重要な解析の部分は、コンポーネントレベルと基板レベルの信頼性を確保することを目的としており、設計に関する多くの決定に影響することがあります。 最適なプリント基板設計ソフトウェアを使用すれば、信頼性が高く、動作時に温度が低い基板を簡単に設計できます。Altium Designerには、信頼性を確保する材料ライブラリを備えた最高の回路基板設計ツールがあり、PCBレイアウトとスタックアップで熱管理のベストプラクティスを実施するために必要なものがすべて揃っています。ここでは、回路基板の熱解析について理解を深め、次に基盤を設計する際に高い信頼性を備えた基板にする方法を説明します。 Altium Designer 高度なレイアウト機能、包括的な基板材料ライブラリ、生産計画機能を統合する統合PCB設計パッケージ。 回路基板とコンポーネントの材質によって、動作中に基板内で熱がどのように移動するかが決まります。残念ながら、PCB基板の材料は絶縁体であり、高温のコンポーネントからの熱の放散を妨げます。銅伝導体とプレーン層は役に立ちますが、動作中の基板の平衡温度に影響を与える設計上のシンプルな選択肢がいくつかあります。これらの設計面での決定は、次の3つの領域に焦点を当てています。 回路基板のスタックアップ設計 基板材料の選択 コンポーネントの選択とレイアウト 電動ファンやヒートシンクなどのほか、いくつかのシンプルな設計の選択肢によって、基板を低温で動作させ、早期故障を防ぐことができます。適切な設計ツールのセットを使用すると、熱管理のベストプラクティスを簡単に実装できます。 熱解析を使用して回路基板を設計する 回路基板設計の熱解析の目標は、温度を制限内に保つためにファン、ヒートシンク、追加の銅箔、またはサーマルビアなどの冷却手段が必要となるタイミングを判断することです。設計者は、基板内のコンポーネントの最大許容温度を選択し、コンポーネントが消費する電力に基づいてコンポーネントの温度がどのように変化するかを調べる必要があります。コンポーネントの温度が許容温度制限を超える場合は、ヒートシンクやファンなどの追加の冷却手段が必要になる場合があります。 まず、集積回路のコンポーネントのデータシートに通常記載されているコンポーネントの熱インピーダンスを確認します。この値は、低電力アンプやICでは最高20℃/Wと低く、強力なマイクロプロセッサーでは最高200℃/Wと高くなることがあります。動作温度を求めるには、コンポーネントの消費電力に熱インピーダンスを掛けます。SOTパッケージ内のMOSFETの例では、これは次のように定義されます。 熱インピーダンスで定義されるコンポーネントの温度。 コンポーネントの温度が高すぎる場合、PCBレイアウト内のコンポーネントの熱インピーダンスを下げるため、コンポーネントから熱を放散するために実行できる手順がいくつかあります。 接地されたポリゴンを使用してサーマルビアをコンポーネントの下に追加する 熱伝導率の高いPCB基板材料を使用する コンポーネントに放熱板を追加する プレーン層など、コンポーネントの下にさらに多くの銅箔を含める

AC/DCコンバーター回路は、その名前が示すとおり、高調波AC入力を受け取り、それをDC出力に変換します。これらの回路は単に高レベルからで、ブレッドボード上で低電力で動作する場合、実際のAC/DCコンバータ回路は単なる変圧器と整流器回路に比べてもっと複雑です。これらの回路に適切なコンポーネント/部品を見つけて正確な電力シミュレーションを実行するには、強力な回路設計ツールを含む適切なPCB設計ソフトウェアが必要です。 電源、レギュレーター、変換器を設計する必要がある場合や、その他の電源システムを設計する必要がある場合でも、Altium Designerには必要な設計ユーティリティが備わっています。Altium Designerの最も優れている点は、PCB設計に必要なすべてが単一のプログラムに含まれている統合設計環境であることです。AC/DCコンバーター回路と電源システムに必要なその他のサポート回路の設計についての詳細は、当社のガイドをお読みください。 Altium Designer 強力なPCBエディターとSPICEシミュレーションパッケージを備え、回路設計機能を統合したPCB設計パッケージ。 壁面電源に接続するほぼすべてのデバイスは、壁面からのAC電力を、集積回路で使用できるDC電力に変換する必要があります。これは、多くの製品がAC/DCコンバーター回路に加えて、電力レギュレーター、PFC回路、高効率電力変換のための制御回路などの他の回路を必要とすることを意味します。成功に向けて準備を整えるには、適切な設計戦略が必要であり、システムのさまざまな部分を統合して完全な製品にする必要があります。 量産グレードの電源システムには安全で機能的なレイアウトが必要であり、設計が意図したとおりに動作することを確認するためにシミュレーションで検証する必要もあります。統合設計パッケージを使用すると、電力コンバータの回路図、高品質なPCBレイアウト、回路シミュレーションを1つのプログラムで作成できます。 AC/DCコンバーター回路を設計する AC/DCコンバーター回路は整流に依存しており、入力AC電力が残留リップルのある不安定なDC出力に変換されます。AC/DCコンバーター回路に含まれる基本コンポーネントは次のとおりです。 変圧器: これは、システムの負荷に適した値までグリッド電力を増減します。変圧器の巻数比によって、ダイオードブリッジとコンデンサーへの電圧と電流の出力が決まります。 ダイオードブリッジ整流器: この小さな回路は、AC入力信号の絶対値を受け取り、単一極性の時変信号を生成します。設計要件は、ブリッジ整流回路のダイオードが順電流を超えて動作することです。 コンデンサー: 大きなコンデンサーは、整流されたAC信号を安定させ、リップルが残ったDC電圧を生成するフィルターとして使用されます。実効直列抵抗がより小さく、コンデンサーがより大きいことが、高い充電容量と放電の高速度を確保するのに理想的なコンポーネントです。 このコンポーネント/部品のリストは、AC/DCコンバータ回路を作成するために最低限必要なもので、以下が一つの例です。設計するAC/DCコンバーターは、実際のコンポーネントデータとシミュレーションモデルを使用して強力な回路図エディターで作成する必要があり、その作業を行うには最適な設計ソフトウェアが必要です。 実際のコンポーネントを使用してAC/DCコンバータ回路の回路図を作成する AC/DCコンバータ回路の設計には、コンポーネントライブラリとPCBサプライチェーンへの接続が統合された最高の回路図設計ツールを必ず使用してください。Altium