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接地を保つ：PCBレイアウトにおけるデジタル、アナログ、およびアースグラウンド エレクトロニクス設計におけるグラウンドリファレンスとシャーシグラウンドについて 1 min Thought Leadership アース接続技術、接地、PCBのグラウンド接続、PCBシャーシグラウンドの概念は、国際基準が概念と用語を分離しようと試みても、電子工学においては非常に複雑です。グラウンディングは、電子設計、電気作業、もちろんPCB設計のすべての側面で重要です。すべての回路には、私たちがグラウンドと呼ぶ参照接続が必要ですが、正確な参照はさまざまなシステムで異なる方法で定義されます。 さまざまなタイプの電子機器でPCBグラウンドがどのように機能し、グラウンド接続をどのように使用するか不確かな場合、すべてのシステムに適用される単純な答えはありません。異なるタイプの電子機器は、それぞれのポテンシャル参照を異なる方法で定義し、すべてのグラウンドが同じポテンシャルにあるわけではないことが、入門電子工学のクラスで学んだこととは対照的です。この記事では、デジタルグラウンド、アナロググラウンド、シャーシグラウンド、そして最終的にアースグラウンド接続を定義し統合するためのシステムレベルのアプローチを取ります。グラウンドが最終的にPCBにどのように接続され、最終的にシステム内のすべてのコンポーネントに接続されるかを学ぶために読み続けてください。 回路におけるグラウンド参照とは何か、そしてそれは何をするのか？ 地面を定義する方法はいくつかありますが、誰に尋ねるかによって異なります。物理学者は特定の方法（主に理論的に）で定義する一方で、電気技師や電気工学者は文字通りあなたの足元の地面（アースグラウンド）を指しているかもしれません。電子工学では、地面をさまざまな機能を交換可能に実行するものとして参照することがあります。ここでは、電子工学における地面の主な機能をいくつか紹介します： 地面は電圧を測定するために使用される基準点を提供します。すべての電圧は、2点間の電場（および位置エネルギー）の観点から定義されます。これらの点の1つを「0V」と定義することができ、この0Vの基準を「地面」と呼ぶことがあります。これが、PCB内のグラウンドプレーンを「基準平面」と言う理由の1つです。 地面は電源への帰還電流の経路を提供するために使用でき、これにより回路が完成します。 概念的には、地面は大きな電荷の貯蔵庫として機能し、電流の流れの方向も定義します。地面を0Vの基準として取るため、この値（正または負）より上または下の電圧は、地面の位置に対して異なる方向に電流の流れを駆動します。 グラウンドは電場が終了する点を提供します。これは本当に最初のポイントの変形です。もし電磁気学のクラスで画像法の問題を解決しなければならなかったことがあれば、グラウンドは特に0Vで保持される等電位面として定義されることを覚えているはずです。この定義は、特定の電圧で保持される任意の導体（例えば、 PCBの電源プレーン）にも適用されることに注意してください。 完全なグラウンド導体を通る電圧降下は0Vです。言い換えると、グラウンド参照内の任意の2点間の電圧を測定すると、常に0Vを測定するはずです。これは上記のポイント2の再述です。 PCB設計では、電源がコンポーネントに供給される方法と、設計内でデジタル/アナログ信号がどのように測定されるかを定義するため、ポイント1と3についてよく話します。EMI/EMCの専門家は時々、ポイント4の観点からグラウンドについて話します。これは基本的にシールド材料の機能を説明します。誰もがポイント5を福音として受け入れますが、ポイント5は現実には起こりません。 これらのポイントをカバーした今、電子機器におけるグラウンディングとさまざまなタイプのグラウンドについて認識すべきいくつかのことがあります。 全てのグラウンドは不完全です 全てのグラウンド領域は上記の特性を持つことが意図されていますが、導体の実際の性質により、グラウンド基準として使用された場合には異なる機能を果たします。さらに、グラウンド領域の幾何学的形状は、電場および磁場との相互作用の仕方を決定し、それがグラウンド領域へのおよびグラウンド領域内の電流の動き方に影響を与えます。これが、 異なる信号がその周波数内容に依存した特定のリターンパスを持つ理由です。さらに、全てのグラウンドは非ゼロの抵抗を持っており、これが実際のグラウンドに関する次のポイントにつながります。 全てのグラウンドが0Vであるわけではない 浮遊している導体や、異なる電源を参照するシステム内の導体は、同じ0Vの電位を持っているとは限りません。言い換えると、異なる機器の2つのグラウンド参照が同じ参照に接続されている場合でも、それらの間の電位を測定すると、非ゼロの電圧を測定することになります。 これは、2つのデバイスが同じ導体をグラウンド接続として参照している場合にも発生することがあります。長い導体（例えば、マルチメーターで）を測定すると、電位差がゼロでない可能性があり、これは導体に沿って一定の電流が流れていることを意味します。大きなグラウンドや2つのグラウンド接続間のこの電位差は「グラウンドオフセット」と呼ばれます。大規模なマルチボードシステムや、産業用およびネットワーク機器のような分野では、グラウンドオフセットは差動信号を使用する理由の1つです（例： CANバス、 イーサネットなど）。差動プロトコルは2本のワイヤー間の電圧差を使用するため、それぞれのグラウンド参照は関係なく、信号は依然として解釈できます。 記事を読む
高速・高周波PCBにおける終端方法 高速・高周波PCBにおける終端方法 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 高速デジタルシステムを扱う際には、終端の話題が必ず出てきます。ほとんどのデジタルシステムには、少なくとも1つの標準化された高速インターフェースがあり、または高速なエッジレート信号を生成する高速GPIOが存在する可能性があります。高度なシステムには、通常、半導体ダイ上に適用される終端を持つ多くの標準化されたインターフェースがあります。実際に終端が必要かどうかを判断した場合、どの方法を使用すべきでしょうか？ 実際には、多くのデジタルシステムではデジタル通信のための標準化されたバスを多くのコンポーネントが実装しているため、離散終端器の適用は非常に一般的ではありません。しかし、高速I/Oを持つ高度なコンポーネントを扱っている場合、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるかもしれません。このような状況が発生するもう一つの例は、特定のプロセッサーや FPGAで時々使用される特殊なロジックです。最後に、RF終端の問題がありますが、これはデジタルシステムの終端とは非常に異なります。 終端の適用時期と方法 上述のように、離散コンポーネントで手動で終端を適用する必要があるケースは限られています。 あなたのインターフェースにはインピーダンス仕様がありません データシートには、手動での終端が必要であると記載されています インターフェース仕様では、特定の終端（例： DDR、 イーサネットのボブ・スミス終端）が要求されます RFとデジタルのインピーダンスマッチングはやや異なります。全体的な目標は同じです：伝送線に送信された信号は、伝播中に最小限の損失を経験し、受信コンポーネントによって正しい電圧/電力レベルで登録されるべきです。以下の表は、デジタルとRFで使用される終端方法を比較しています： デジタルチャネル RFチャネル 終端帯域幅 広帯域終端回路が必要 狭帯域終端回路が必要 電力損失 特定の場合にはある程度の電力損失が許容される 通過帯域での電力損失はないことが望ましい 適用範囲 記事を読む
PCBにおける銅のラップメッキ PCBにおける銅のラップめっき 1 min Blog 新しい電子機器を購入して、1週間後に故障してしまうことは誰も望んでいません。私は同じフラットスクリーンモニターを5年以上使っていますが、これまでに所有した電子機器の中で最も頑丈なものです。信頼性の高い設計が好きなら、デバイスの寿命を向上させることを目的とした業界標準に注目していることでしょう。 PCBのビアメッキは、衝撃や熱サイクルに耐えられるほど信頼性が高くなければなりません。ここでメッキプロセスが重要となり、新しいIPC 6012Eのメッキ要件は、ビア・イン・パッド構造の信頼性を向上させるために設計されたメッキ技術を指定しています。 銅ラップメッキ構造 ビア・イン・パッド構造には、ビア穴を銅メッキして、多層PCBの層間で信号をルーティングする必要があります。このメッキは、ビア・イン・パッド構造内の他のパッドや、小さな環状リングを使用してトレースに直接接続します。これらの構造は不可欠ですが、繰り返しの熱サイクル下での信頼性の問題があることが知られています。 IPC 6012E基準は最近、ビア・イン・パッド構造に銅ラップめっきの要件を追加しました。充填された銅めっきはビア穴の端を回り込み、ビアパッドを取り囲む環状リングにまで延びるべきです。この要件はビアめっきの信頼性を向上させ、クラックや表面特徴とめっきされたビア穴との分離による故障の可能性を減少させる可能性があります。 充填された銅ラップ構造は2つのバリエーションがあります。まず、ビアの内側に連続した銅膜が適用され、その後ビアの両端の上層と下層を覆い越えます。この銅ラップめっきはビアパッドとビアに繋がるトレースを形成し、連続した銅構造を作り出します。 または、ビアはビアの両端を囲む独自のパッドを持つことができます。この別のパッド層はトレースやグラウンドプレーンに接続します。ビアを充填する銅めっきはこの外部パッドの上を覆い越え、充填めっきとビアパッドの間にバットジョイントを形成します。充填めっきとビアパッドの間にはある程度の結合が発生しますが、二つは融合せず、単一の連続した構造を形成しません。 PCBでのビア穴のドリリング 熱サイクル下での信頼性 PCBが時間とともに熱サイクルを繰り返すと、体積膨張が銅のラップメッキ、ビア充填材、およびラミネート界面に圧縮または引張応力を生じさせます。応力の量は、基板と環境の間の温度勾配、関与する各材料の熱膨張係数、および基板の層数など、多くの要因に依存します。 基板材料の熱膨張係数が一致しないことは、銅のラップメッキに大きな応力を与える原因となります。これにより、ビアバレル内のメッキが割れてバットジョイントから分離する可能性があります。連続する銅のラップメッキも、ビアの端で直角に割れることがあります。 ビアの内部がバットジョイントから分離した場合、またはラップメッキの端でビアが割れた場合、ビアにオープン回路の故障が発生します。繰り返しの熱サイクル中に曲がると、さらに多くの故障が発生します。基板の最も外側の層に近い位置で終わるビアは、基板がこれらの層でより大きく曲がるため、熱サイクルによる破断の可能性がはるかに高くなります。 これらの構造物での故障の可能性にもかかわらず、銅のラップメッキを使用しないビアよりも、銅のラップメッキを使用した方が依然として信頼性が高いです。この追加の銅のラップ層は、ビア壁内のメッキの構造的完全性を高めるだけでなく、ビアメッキと環状リングとの接触面積を増加させます。 基板上の銅の可視性と安定性は価値があります。 構造的完全性は、ラップメッキの上にボタンメッキを追加することでさらに高めることができます。一部のメーカーは原則としてこれを行います。ボタンメッキも、ラップメッキと同様に、ビアの上部と下部の端を覆います。その後、メッキ抵抗が剥がされ、ビアはエポキシで満たされ、最終的に表面は平滑化され、滑らかな表面が残ります。これは、IPC 6012E基準を満たしながら信頼性を最大化する最良の方法と言えるでしょう。 IPC 6012Eに準拠しためっきは、埋め込みビアが別々のレイヤースタックに分割されている限り、埋め込みビアにも簡単に適用できます。内層スタックは、スルーホールビアの場合と同様に、銅でラップすることができます。これらの内層にあるビアは、スルーホールビアと同じようにめっきすることができます。各分割されたスタックがめっきされた後、最終的なスタックアップはプリプレグを使用して配置することができます。 記事を読む
CADライブラリのためのSTEPモデル：知っておくべきこと Cadライブラリのステップモデルについて知っておくべきこと 1 min Blog CADライブラリのSTEPモデルは、電子設計と機械設計を隔離し続けています。Altium Designerの統合環境がどのようにワークフローを合理化できるかを見てみましょう。 記事を読む
mmからmilへの単位の切り替え、およびその他PCB設計の測定設定 mmからmilへの単位の切り替え、およびその他PCB設計の測定設定 1 min Blog PCBレイアウトは、最終設計を正確に反映する必要があり、指定された単位尺度に従う必要があります。Altium Designer内では、回路が作成されている回路図だけでなく、PCBレイアウトで作業するときに単位を設定する簡単な方法があります。以下の簡略なガイドでは、回路図エディターとPCBエディターでmmからmilに切り替える方法を説明します。ユーザーはこれをライブで行うか (PCBレイアウトで作業しながら)、回路図とPCBの両方の環境設定ダイアログから行うことができます。 設計中に単位を切り替える最速方法 Altium Designerは、mmとmilの2つの単位から選択できます。これらは、ほとんどのコンポーネントデータシートと機械図面、およびPCB製造に使用される ガーバーファイルで使用される標準単位です。設計作業中にユニットを切り替えたい場合にこれを行う最速の方法は、PCBエディターと回路図エディターのどちらを使用しているかによって異なります。 回路図エディターの場合- [表示] --> [単位の切替]メニューオプションで単位を変更します。 PCBエディターの場合には、次の3つのオプションがあります。 キーボードの「Q」を押す キーボードで「V」を押した後に「U」を押す [表示] --> [単位の切替] メニューオプションを使用する PCBエディターの2つのホットキーオプションに加えて、Altium Designerは他の多くのホットキーを使用して膨大な数のタスクを自動化できます。 記事を読む
TVS ダイオード PCB設計ガイドライン：過渡保護のためのTVSダイオードの使用 1 min Blog TVSダイオードは、保護されたコンポーネントからサージを逸らすことで、PCBレイアウトがESDイベントに耐えられるようにするのに役立ちます。 記事を読む
リジッドおよびリジッドフレキシブルPCBのレイヤスタックアップ リジッドおよびリジッドフレキシブルPCBのレイヤスタックアップ 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 多層PCBの構築は、レゴで建物を作るのと似ています。部品は全て簡単に組み合わせられますが、設計としてまとめるには、従うべき指示があります。最近は、シングルレイヤや、トップレイヤとボトムレイヤの組み合せは、最も単純なPCBでのみ使用されます。マルチレイヤのPCBは、今や例外ではなく標準です。製造業者は最高30層のPCBを組み立てることができます。それらの基板におけるレイヤスタックアップの方法は、実際に適用するさまざまな場面で重要です。 PCB設計者は、回路基板の作成方法における変化に対応すべく設備を整える必要があります。PCB設計者の主な設備とは何でしょうか? 言うまでもなくCADツールです。どのようなプリント基板も、後方支援のため、強力にサポートしてくれるPCB設計ソフトウェアが必要になります。これは、デザインルールの把握がやや難しい、フレキシブルおよびリジッドフレキシブル回路ではなおさらです。レイヤスタックに振り回されず、今後もフレキシブル回路基板のプリントを円滑に行いましょう。 マルチレイヤのスタックアップ方法 理想の世界では、レイヤスタックアップの方法は、EMIおよびクロストークを完全にブロックするようにトレースとGNDプレーンを配置でき、フレキシブルおよびリジッドフレキシブル設計に適応できるはずです。例えばルームの温度を過度に熱することはないでしょう。明らかにそれは無理な注文です。あらゆる要件を完璧かつ同時に満たすことのできるスタックアップの方法はありません。 ピン密度が高い基板は一般に、より多くの信号層を必要とします。また、標準的なPCBに含めるべきレイヤの数に関する一般的なガイドラインがあります。レイアウト中の配線密度に応じて、いくつかの信号層は不要で削除可能であることに気付くかもしれません。適切なレイヤ数が決まったら、EMIとクロストークへの影響に注意しながらレイヤを配置する必要があります。 典型的なマルチレイヤスタックアップは、信号層とパワー/GNDプレーンが交互に配置されます。各レイヤは、絶縁体コアまたはプリプレグによって仕切られます。推奨されるスタックアップの配置は、基板のレイヤ数によって異なりますが、レイヤ間のEMIとクロストークを抑制するため、上記のガイドラインを必ず守ってください。熱問題に対応するには、マルチレイヤ基板にもかかわる可能性のある設計上の考慮が必要です。 アナログおよびデジタル要素を持つデバイスは、マルチレイヤスタックアップに別々のGNDレイヤを使用する必要があります。2つのGNDプレーンは1点でのみ接続してください。同じことが、アナログおよびデジタル信号層にも当てはまります。アナログおよびデジタル信号層を分けて1点でのみ接続することは、ノイズ結合を回避できるよい方法です。ほかに、GNDにシングルレイヤを使用してGNDプレーンをデジタル部分とアナログ部分に分割する方法があります。 フレキシブル回路基板では、配線はそれほど問題にする必要はありません アナログおよびデジタルの信号層をそれぞれのGNDプレーンで分けるのは、 EMIを回避するよい方法です。アナログおよびデジタル信号層の間にGNDプレーンを配置すると、2つのレイヤの間に効果的なシールドを作ることになります。アナログGNDプレーンはアナログ信号層に隣接して配置する必要があります。デジタル信号層も同様です。これにより、各信号層は、それぞれのGNDプレーンにリターン電流のみを誘導します。 リジッドフレキシブルスタックアップ リジッドフレキシブルPCB設計にいったん取り組んだら、リジッド基板と同様のスタックアップを使用してフレキシブルリボンを定義する必要があります。フレキシブルリボンは、それが接続する基板より薄く、リジッド基板の内側のレイヤと同じスタックアップ構造でなければなりません。フレキシブルリボンは通常、基板間の信号を伝達する必要があります。また、GNDリターン接続が必要です。 パワープレーンまたはGNDプレーンをフレキシブルリボンを越えて拡張するつもりであれば、クロスハッチ銅箔を使用します。クロスハッチにより、純銅箔フィルムや銅箔での柔軟性が向上します。クロスハッチ銅箔は、フレキシブルリボンの信号層に シールドが必要な場合も使用する必要があります。 フレキシブルリボンに直接コンポーネントを配置する予定がない場合は、そのリボンのカバーレイの下に信号層が直接配置されている必要がありません。カバーレイの下に信号層があれば、SMTコンポーネントをリボンに直接配置できます。これが一般的な設計方法になりつつあります。 半田ランドは、カバーレイの信号層に直接配置される必要があります。カバーレイは、SMTコンポーネントが信号層にアクセスできるようパンチで穴が開けられる必要があります。必ず、自分の設計に対応してもらえることを 製造業者に確認してください。これらの機能やコンポーネントを曲げ領域に配置することは常に避け、コンポーネントの長手方向が曲げと平行になるようコンポーネントを配置します。 SMTコンポーネントはフレキシブルリボンにより効率的に管理できます リボンにコンポーネントを配置する別の方法として、ボタンメッキがあります。信号層はスタックアップのカバーレイの下に配置される必要があります。カバーレイにパンチで開けられた穴は、信号層へのアクセスにも使用されます。スルーホールビアが実装パッドに配置され、ストラクチャは特定の厚さまでメッキされます。ビアの穴が開いたままの場合は、スルーホールコンポーネントをフレキシブルリボンに配置できます。 記事を読む