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インピーダンス計算とPCBスタックアップ設計 インピーダンス計算とPCBスタックアップ設計 2 min Blog スタックアップ設計には、制御されたインピーダンス、クロストークコントロール、プレーン間キャパシタンスの必要性の3つが求められます。製造者によってはスタックアップで正しいインピーダンスを得ることができるかもしれませんが、残りの2つを解決するのは到底無理です。この責務は、何が必要で、どうやって必要とされるコントロールを実行に移すのかということを唯一知っている設計エンジニアに委ねられています。 この情報は、PCBスタックアップを設計するためのプロセスに関するガイダンスを提供することを目的としています。PCBスタックアップに対する要求がどのように変化していったかを理解するには、時間の経過に伴う技術の進化に注目することが役立ちます。 プリント基板の製造が始まって間もない頃は論理回路が非常に遅かったため、論理回路またはディスクリート部品の間をどのように接続し、どのようにDC電源のパスを各部品に供給するかだけが唯一の関心事でした。設計者に要求されていたのは、全てのワイヤに十分な信号層を供給し、電源パスに十分な銅を用い、サグやドループを最低限に抑えてDC電源を届けることだけでした。積層板でどのガラスクロスが使われていようと、プリプレグが何であろうと、どんな樹脂系だろうと、また各積層板がどの厚さであろうと、問題ではありませんでした。はんだ付けプロセスに耐えられる最低価格の基板が、目標だったのです。 やがてICは高速になり、反射やクロストークなどが問題になりました。ここで使用された論理ファミリーが、エミッタ結合論理（ECL）です。その当時、ECLの主なユーザーはIBMやCray Researchのような大規模なコンピューター企業でした。これらの企業では、スタックアップの設計に必要となるインピーダンスを計算する技術者がスタッフとして勤務していました。このような企業は社内にPCB設備を備えていましたが、一般市場の製造者には、製造条件を満たすために必要とされるコントロール能力が備わっていませんでした。 1980年代半ば、その当時使用されていた論理回路タイプの中で最も一般的だったTTLが十分な速度になったため、反射が問題となり、基板には制御されたインピーダンスが必要となりました。TTLやCMOSを使用して設計する技術者がいたとしても、ほとんどの技術者は制御されたインピーダンス基板の実現方法を知らなかったため、製造者に既知のインピーダンス（通常は50オーム）の基板を供給するよう求めました。製造者はめっき、エッチング、積層、穴あけなどを含むスキルセットのような能力を持ち合わせていませんでした。それでも技術者は、インピーダンスを計算するように製造者に求めました。当時、本稿著者は、製造者がインピーダンスを計算できるようにしようと多くの時間を費やして手助けしました。このタスクに対する製造者のスキルは、良い結果を生むときもあればそうでないときもありましたが、多くの場合、この状況は今日も変わっていません。 1990年代の半ばまでにスピードは急増し、100Mhzを超えた状態でキャパシタンスが存在する必要性が生じたため、ほとんどの製品がEMIの影響を受けました。実装インダクタンスが原因となり、パワーレール上に配置されたディスクリートコンデンサのどれもこの問題を解決することができませんでした。ここで生じた問題が、よく知られているプレーン間キャパシタンスや埋め込みキャパシタンスです。プレーン間キャパシタンスは、電源プレーンとGNDプレーンを互いにとても近く（通常3mil以下）に設置することで現れます。 そのため、スタックアップ設計には、制御されたインピーダンス、クロストークコントロール、プレーン間キャパシタンスの必要性の3つが求められます。製造者によってはスタックアップで正しいインピーダンスを得ることができるかもしれませんが、残りの2つを解決するのは到底無理です。この責務は、何が必要でどうやって必要なコントロールを実行に移すのかを唯一知っている設計技術者に委ねられています。 2000年代半ばまでに多くの差動ペアのスピードが高速化したため、積層板で使用するガラス繊維やプリプレグによって、信号を劣化させるスキューと呼ばれる現象が誘発される可能性がありました。スキューとは、差動ペア信号が受信側に到達する際に起こる両側の差動ペアのずれです。さらに、積層板の伝送損失が高速信号に影響し始めたことにより、損失に対する目標や前述した要求全てを満たすために、エンジニアリングチームは低損失積層板の模索を余儀なくさせられました。 これまでに説明した全ての理由により、設計技術者は設計において責任を負う必要があります。この役割を果たすためには、製造プロセスや材料についての十分な理解力が必要不可欠です。ここでは、4つの制約を満たすPCBスタックアップの設計に関連した全てのトピックを取り上げます。4つの制約とは、制御されたインピーダンス、クロストークの管理、適切なプレーン間キャパシタンスの生成、スキューを管理するための正しい織り（weave）の特定です。 プリント基板の製造 PCBスタックアップを設計する際に最善の決断をするためには、多層基板をどのように製造するのかを理解することが役に立ちます。数多くの方法が多層基板の製造に使われます。最も一般的で経済的な方法は、 フォイルラミネーションと呼ばれるものです。図3.1が、典型的な6層基板の図です。スタックアップに3つの基本コンポーネントがあることが分かります。これらは、スタックアップの上部と底部が銅箔シート、プリプレグシート、積層シートです。 外層は常に 銅箔のソリッドシートで、スタックアップの積層とドリルが終わるまで使用されます。ドリル穴に銅をめっきするために使用されるめっき電流用パスとして用いられるためです。ドリル穴は、ビアやコンポーネントリードに使われます。 プリプレグまたはBステージとして知られている材料はガラスクロスで、特定の設計に応じて選択した樹脂系でコーティングされています。この樹脂は部分的に硬化されており、スタックアップが積層工程を経る際に「接着剤」の役割を果たします。コンポーネント 積層板は、プリプレグのガラス／樹脂材料と同じです。樹脂を硬化するためのプレス内には、ガラス／樹脂に接合した各側に銅層があるため、積層板と呼ばれる硬質材料になります。内面信号層とプレーン層は、この積層板上で2枚一度にエッチングされます。 図3.1 フォイルラミネーション使用の6 層PCB 記事を読む
高速設計での伝送線路と終端 高速設計での伝送線路と終端 2 min Blog 伝送線路は、電磁界の形でエネルギーを供給するために使う1対の導線です。大抵の人は、照明と電化製品を作動させるのに必要な電力を供給するために家庭に引かれている電線にはなじみがあります。プリント基板設計の文脈では、伝送線路とは、1つのプレーンの上または2つのプレーンの間にある1つの信号層の信号を意味します。 伝送線路と終端 このセクションの目的は、伝送線路とは何かを説明することです。それには、伝送線路上を何が移動しているのか、伝送線路上にスイッチング信号が送られた場合の伝送線路の挙動、最良の信号品質を得るために終端を付けてこれらのスイッチング信号を制御する方法が含まれます。このセクションの最後に、参考文献として読者に役立つと思われる資料の一覧を示します。 このセクションの主要部分とそれに続く部分には、有効な設計ルールとその妥当性の証拠を記載しています。筆者の考えでは、全ての設計ルールは、その限界値が何であるかはもちろんその証拠も伴っている必要があります。 伝送線路とは 突き詰めると、伝送線路は、電磁界の形でエネルギーを供給するために使う1対の導線です。大抵の人は、照明と電化製品を作動させるのに必要な電力を供給するために家庭に引かれている電線にはなじみがあります。プリント基板設計の文脈では、伝送線路とは、1つのプレーンの上または2つのプレーンの間にある1つの信号層の信号を意味します。図1に、通常の基板で使う伝送線路の4つのタイプを示します。図に示すように、2つの主な種類があります。ストリップラインとマイクロストリップラインです。前者は2つのプレーンの間に伝送線路があり、後者は1つのプレーンの上に伝送線路があります。プレーンを表すのにGNDという語が使われていないことに注意することが重要です。電磁界を議論する場合、プレーンのDC名は重要ではありません。 図1. PCB 伝送線路の種類 これらの4つの伝送線路構成のさまざまな組み合わせを使ってPCBスタックアップを作成します。信号が1つの層で並んで走る際、または隣接する信号層の信号の上に信号が走る際のクロストークの制御については、次のブロックで説明します。インピーダンスの計算についても、以下のブロックで説明します。 さまざまな実装の至る所で伝送線路を扱うことは負担かもしれません。しかし、適切なPCB設計ソフトウェアがあれば、PCBレイヤースタックアップを簡単かつ優雅に管理すると同時に、スマートなデザインルールチェック機能を使ってインピーダンスとクロストークを制御できるでしょう。Altium Designerでは、その使いやすい設計環境を設計する際に、これらを念頭に置きました。 Altium Designer の統合設計環境 伝送線路を何が移動しているのか? 伝送線路を適切に管理するため、伝送線路上で移動しているものを知ることは重要です。電子工学の初歩では、電圧と電流、信号として特定される電流の流れについて教わります。残念ながら、これは、信号がどのように発生するかという観点からはあまりにも単純すぎる見方です。電流の流れのみに注目した場合、信号の品質は損なわれる可能性があります。 多くの人は、電気信号が光速（真空中で秒速186,000マイル（300,000キロメートル））またはそれに近い速度で移動することを知っています。電流の流れ（銅の導線中の電子の移動に対応します）は毎時約 1375マイル（2200キロ）の速度で移動します。ですから、信号は電流の流れではあり得ません。信号は電磁界です。図2に、ストリップライン伝送線路の周囲の電磁界の様子を示します。線路は、ページから出てくるように2つのプレーンの間を通っています（断面図を示しています）。 図2 記事を読む
PCB設計ソフトウェア内のプロジェクトリリース管理 PCB設計ソフトウェア内のプロジェクトリリース管理 1 min Thought Leadership 夜も昼も頑張ってPCB設計を完成させ、ついに最後のトレースが接続され、最後のシルクスクリーンの参照が調整され、最終的なDRCが通過しました。これで週末を迎える時間ですよね？違います。製造業者に提出するための出力ファイルをすべて作成するために、まだやるべき作業が山積みです。 多くのPCBリリース設計ツールのベンダーは、出力ファイルの作成をユーザーにとって簡単にするためのさまざまなメカニズムを提供しています。 Altium Designer®は、そのジョブ出力ファイルを使用して製造出力ファイルの生成を自動化することで、ここでのトップリストに位置しています。これらのファイルを使用すると、作成したい出力を定義し、システムが従う一連のスクリプトにすべてまとめることができます。出力ジョブファイルを定義したら、製造ファイルを作成するためにそれぞれをアクティベートするだけです。このプロセスをさらに簡単にできるかと問われれば、Altiumプロジェクトが出力ジョブファイルをさらに自動化し、ファイルがプロジェクトPCBリリースプロセスによって一緒に実行されるようにすることで、それ自体を超えています。 私たちが話しているこのメカニズムは、Altiumのプロジェクトリリーサーです。プロジェクトリリーサーは、全体的なリリースプロセスの一部として既に配置されている出力ジョブファイルを使用します。 出力ジョブファイルの構築 まず、出力ジョブファイルを再検討しましょう。以前のブログで、出力ジョブファイルの 作成と使用方法について話しました。非常に似た出力ジョブファイルをいくつか取り、プロジェクトリリーサーの使用を示すために少し変更します。 私たちは、基板製造業者用の出力ファイルを作成するための出力ジョブファイルと、基板組立業者用のもう一つの出力ジョブファイルという、2つの出力ジョブファイルを扱っています。2つの出力ジョブファイルは、「Fabrication」と「Assembly」と名付けられています。これらは非常にシンプルなファイルです。製造ファイルには、いくつかのGerberファイルが定義されているだけで、組立ファイルには、組立図が定義されているだけです。 Altiumでの組立ジョブ出力ファイル 上の画像では、私たちの組み立て出力ジョブファイルの定義を見ることができます。他にも多くの出力を割り当てることができますが、私たちの場合は、組み立て図面のみを生成するための非常にシンプルなファイルセットアップをしています。また、この出力ジョブファイルは、PDF設定ダイアログの出力管理メニューで「リリース管理」の場所を対象として設定されていることにも注意してください。出力ジョブファイルを個別に実行するための手動の場所を設定することができますが、自動化されたプロジェクトリリースのために、私たちは自動の「管理」設定に設定したままにします。 下の画像では、私たちの製造出力ジョブファイルの定義を見ることができます。見ての通り、これも非常にシンプルで、Gerberファイルの生成のみを設定しています。組み立てファイルと同様に、「リリース管理」にターゲットの場所を設定しています。 Altiumでの製造ジョブ出力ファイル 上述の通り、必要な出力に合わせて出力ジョブファイルを設定することができます。こちらは、別の設計からの組み立て出力ジョブファイルの例です。この場合、PDFコンテナ用にPDFが生成されています（強調表示されています）が、強調表示されていないフォルダ構造には、Gerberファイルやその他のドキュメントが生成されています。このように複数の製造ファイルを作成する必要がある場合、ジョブ出力ファイルを使用すると、実際の時間を節約でき、後で新しい出力ファイルセットを再作成する必要があるときに重要なドキュメントを忘れることがなくなります。 多くのドキュメントと印刷物が含まれるジョブ出力ファイルの例 プロジェクトリリース管理にプロジェクトリリーサーを使用する 出力ジョブファイルから製造ファイルを作成する場合、各ジョブファイルを開いてその中のファイルを生成する必要があります。プロジェクトリリーサーは、すべてのジョブファイルをまとめてから、リリーサーの直感的なユーザーインターフェースからそれらを管理することで、このプロセスを簡素化します。製造および組み立てファイル、ソースデータ、その他必要に応じて他のドキュメントやデータを同時に生成できます。また、リリーサーは、設計に定義されている任意のバリアントの組み立てデータも生成します。 Altiumのリリースマネージャーを起動するには、プロジェクトのプルダウンメニューに移動し、「Project Releaser」を選択します。下の写真に示されています。 Altiumのプロジェクトリリーサーのためのプルダウンメニューコマンド 記事を読む
統合されたコンポーネントライブラリを使用した電子部品の調達 統合されたコンポーネントライブラリを使用した電子部品の調達 1 min Thought Leadership 私たちの家では週末は食料品の買い出しの時間で、次の2週間に必要なものすべてと、それをどこで買うかを徹底的にリストアップします。食料品の購入に関して私たち夫婦ほど細かくないかもしれませんが、PCBの材料表を作成する際には徹底することが報われます。 設計が完了したら、自分に問いかける必要があります：これらの配置したコンポーネントを全部どこで手に入れるのか？これらのコンポーネントがなければ、あなたのPCBは決して実現しません。ここで、統合されたコンポーネントライブラリを備えた設計ソフトウェアが大きな時短になります。 自分でコンポーネントを調達する 「電子部品の供給業者」で検索を試みると、安全に扱える以上の結果が表示されます。誤解しないでください、もしそうしたいのであれば、配布業者のウェブサイトから必要な情報をすべて得ることは確かに可能です。コンポーネントの選択肢と配布業者の数は膨大で、ウェブサイトで情報を検索し、供給業者情報を探す時間は誰にもありません。この情報を一か所でまとめる何らかの方法が必要になります。これにより、時間と精神の節約になります。 一つの選択肢は、調達の問題を 製造業者に任せることです。製造業者は好んで使用するディストリビューターを持っており、これらの会社と良好な関係を築いています。また、一般的な部品を大量に注文する傾向があり、その価格の節約を顧客に還元します。一般的な部品を使用し、低ボリュームを要求している限り、問題を避けて厳しい納期を守ることができるでしょう。 これは安全な選択肢のように思えるかもしれませんが、いくつかの問題による生産遅延のリスクを自ら負うことになります。大手の製造業者は多くの顧客を抱えており、あなたの大量生産のためだけに部品を注文する必要があるかもしれません。これは、製造が始まる前にすでに遅延を引き起こす可能性があります。 もし特殊な部品が必要な場合、製造業者がそれらを在庫しているとは限りません。さらに悪いことに、偽造部品は思っているよりも一般的です。製造業者が厳格な品質管理を行っていない、または怪しい供給業者と取引している場合、あなたのPCBは誤ってマークされた部品や完全な偽造品の犠牲になる可能性があります。 顕微鏡でPCBを検査する 統合ライブラリと調達 独力で進むことを決めた場合、コンポーネントの選定と調達において時間を節約するのに役立つコンポーネント情報と管理ツールが必要です。PCB設計ソフトウェアにコンポーネントライブラリの検索機能と比較機能が含まれている場合、コンポーネントの利用可能性を完全に把握し、適切な代替品を選択し、予算を決定することができます。 コンポーネント情報ツールは、コンポーネントの 陳腐化を管理するのにも役立つべきです。完全なライフサイクル情報へのアクセスにより、設計に新しい部品を採用するかどうかを決定し、生産を開始する前に必要な変更を加えることができます。可能な代替品を並べて比較できることで、コンポーネントの選択肢を完全に把握し、最適な代替品を簡単に選択して、デバイスが設計通りに機能することを確実にすることができます。 このすべての情報は、材料表に統合する必要があります。コンポーネントの部品番号、サプライヤー情報、数量、適切な代替品、さらには製造業者のための価格やリードタイム情報まで含める必要があります。材料表を準備する際には、製造業者に確認することが重要です。ここに記載されていない他の情報を含める必要があるかもしれません。 この道を選ぶと、最初は大変に思えるかもしれません。製造業者のために多くの下準備をしなければならず、時間を投資する必要がありますが、製造業者の調達に関連する多くの問題を避けることができる可能性が高くなります。 電子部品が付いた緑のPCB 材料表を超えて PCB設計ソフトウェアの統合された部品ライブラリは、部品調達データや電気仕様を材料表に渡すだけでなく、設計ツールと直接統合するべきです。部品のフットプリントはCADツールに直接渡され、部品の配置やトレースのルーティングを前例のない精度で行うことができます。 部品のモデルも、部品ライブラリからシミュレーションツールに簡単に渡され、デバイスを損なう可能性のある信号問題を診断することができます。統合された設計とシミュレーションツールは、回路図から直接デバイスのモデルを構築し、これらの重要なシミュレーションを実行するために外部プログラムを使用する必要はありません。この情報は、次のPCBで代替部品を選択する必要があるかどうかを決定するのに役立ちます。 独自のコンポーネントを使用する場合、標準コンポーネントと直接仕様を比較することができ、コンポーネントオプションの全体像を把握できます。情報は力であり、この情報を一つの直感的なインターフェースで提示することで、設計オプションを比較・対照することが容易になります。 記事を読む
マルチボード設計の基礎 - AltiumLive University マルチボード設計の基礎 - AltiumLive University 2 min Altium Live 設計方法論 新規プロジェクトとソースファイルの作成 新しいマルチボードプロジェクトを作成する： ファイル >> 新規 >> プロジェクト >> マルチボード設計プロジェクト (*.PrjMbd) ソースファイル： 論理設計 - マルチボード回路図ドキュメント (*.MbsDoc) 物理設計 - マルチボード組立ドキュメント (*.MbaDoc) 記事を読む
未配線のネットをどこにもつながらないトレースにしないでください 未配線のネットをどこにもつながらないトレースにしないでください 1 min Thought Leadership 映画で、列車が線路を走っていて、橋を渡り始めるものの、先に進むと線路が途切れて橋がどこにも繋がっていないことに気づくシーンを見たことがありますか？それは怖い状況で、以前は列車技師と呼ばれていた機敏な列車の運転手だけが大惨事を防げます。同じくらいの大惨事ではありませんが、基板上に未配線のネットがあると、PCBの動作に大きな混乱を引き起こす可能性があります。 未配線のネットは、接続が必要な場所に開いた回路のことです。コンポーネントのパッドやパッドとビアの間に完成した経路がないと、回路が不規則に動作したり、差動ペア間でインピーダンスの不一致が生じたり、熱を保持してコンポーネントや基板が損傷する可能性がある部分で熱を保持してしまうことがあります。PCB製造業者が未配線のネットを認識できない場合があるため、これらの不完全または欠落している接続を設計中に特定して解決することが、使用できない基板の製造を防ぎ、不必要な追加コストを避けるために不可欠です。Altium Designerを使用すると、回路図上の電気的接続をチェックし、PCBレイアウト上のネット接続を確認し、必要な変更を簡単に行うことができる包括的な統合設計パッケージを手に入れることができます。設計に存在する可能性のある未配線のネットを特定して解決するためのこれらのツールを探ってみましょう。 未配線のネットを特定する方法 あなたの回路図が完全に接続されていることを確認する責任はあなたにあります。もし、あなたの設計に集積回路（IC）が含まれている場合、外部に接続されていないピンや使用されていないピンがある可能性が高いです。このため、回路図の接続を行う際には、コンポーネントのドキュメントに依存すべきです。役立つかもしれないヒントとして、コンポーネントの接続を示す図面やブロック図を作成し、回路図のガイドとして使用することが挙げられます。単純な回路の場合、この図面は回路図の未配線ネットを視覚的にチェックするためにも使用できます。しかし、ほとんどの回路の複雑さを考慮すると、回路図に対して電気的または電子的なルールチェック（ERC）を実行する必要があります。 回路図上の未配線ネットの特定 回路図の設計が完了し、PCBに変換する前に、ERCを実行する必要があります。一般的に、ERCは電気的接続を評価します。これには、パス、ラベリング、パラメータが含まれ、違反のリストを提供します。これらの違反は、ERCの設定時に選択したルールと報告レベルオプションに基づいています。ただし、一部のPCB設計ソフトウェアパッケージでは、ネットリストの作成やERCの実行が追加の設計ステップとして別になっていますが、Altium DesignerではERCはPCBレイアウトを生成する変換またはコンパイルの一部です。可能なチェックと違反の数は広範であり、ネットを特に扱うチェックがいくつか含まれています。成功したコンパイルを妨げる可能性のある 可能なネット違反の中で、未配線ネットを特定するのに最も役立つものを以下に挙げます。 接続されていないワイヤー ネット内の接続されていないオブジェクト フローティング入力ピンを含むネット ピンが1つだけのネット ドライバーのない信号 負荷のない信号 差動ペアの正のネットが欠けている 差動ペアの負のネットが欠けている 上記のリストには、誤ってラベル付けされたネット、不正確または欠落しているパラメータを持つネット、およびERCで検出可能なその他のネット違反が含まれておらず、PCBレイアウトを生成する前にこれらも修正する必要があります。 PCBレイアウト上の未配線ネットの特定 回路図がERCを違反なしで正常に通過することを、設計がPCBレイアウトに進むための要件とすべきです。Altium 記事を読む
AltiumLive 大学の日 - マルチボード設計の基礎 AltiumLive 大学の日 - マルチボード設計の基礎 2 min Altium Live 設計方法論 新規プロジェクトとソースファイルの作成 新しいマルチボードプロジェクトを作成する： ファイル >> 新規 >> プロジェクト >> マルチボード設計プロジェクト (*.PrjMbd) ソースファイル： 論理設計 - マルチボード回路図ドキュメント (*.MbsDoc) 物理設計 - マルチボード組立ドキュメント (*.MbaDoc) 記事を読む