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ペースメーカーを用いたPCB基板内蔵アクティブコンポーネントの旅 ペースメーカーを用いたPCB基板内蔵アクティブコンポーネントの探求 1 min Thought Leadership アメリカ合衆国では年間20万台のペースメーカーが埋め込まれており、心臓の異常を修正する手術プロセスは日常的なものとなっています。プロセスの準備をする際、心臓専門医は最適な埋め込み方法を決定するために3種類の切開方法から選択します。各切開方法は、患者の快適さと手術に伴うリスクの程度に影響を与えます。 切開は静脈へのアクセスを提供し、ペースメーカーのためのスペースを割り当てます。心臓専門医は、人間の組織から形成されたポケット内にデバイスを囲むことでペースメーカーを埋め込みます。外科医は、切開後に一本または二本の指を使って肉質の組織を優しく広げることで、皮膚のすぐ下の組織層内にポケットを形成することを選択できます。 別の方法として、ペースメーカーを胸筋の下に配置することがあり、これは主要な筋肉に浅い切開を入れることから始まります。この技術は、ポケットを作成するための鈍的な解剖で終わります。どちらの場合も、傷の閉鎖と治癒プロセスにより、組織がペースメーカーを包み込むことになります。 ペースを保つ マイクロコントローラー、MOSFET、電圧レギュレーター、 集積回路などのアクティブコンポーネントをPCBの基板内に埋め込むコンセプトは、人間の体内にペースメーカーを埋め込むプロセスと鏡像のようなものです。統合モジュールボード技術を使用すると、SMTコンポーネントは従来の硬質基板の表面にあるキャビティに埋め込まれます。 技術の進歩により、キャビティのサイズがより正確になり、PCB設計では、コンポーネントの寸法に対応するさまざまなキャビティ形状を取り入れることが可能になりました。誘電体材料を除去するためにレーザーを使用することで、位置精度と正確なキャビティの深さを実現します。小さく精密なフライス加工やルーティングツールも、コンポーネントに対する厳密な許容誤差を持つキャビティを製造するために必要な制御を提供します。 コンポーネント、基板、およびビルドアップ材料の間には、適切な回路動作のために、機械的、化学的、電気的な互換性が存在しなければなりません。コンポーネントを整列させて配置した後、次のステップは、等方性のはんだを含む成形ポリマーでキャビティを充填することです。ポリマーとはんだの混合物は互換性を保証します。コア基板を樹脂コーティングされた銅でラミネートすることで、マイクロビアの製造が可能になります。 強力なPCB設計ソフトウェアを使用すると、ビア製造を追跡するのに役立ちます。 埋め込みウェーハレベルパッケージング（EWLP）、埋め込みチップビルドアップ（ECBU）、チップインポリマー（CIP）プロセスは、製造中にアクティブコンポーネントを多層PCB内に完全に埋め込むことを可能にします。誘電体材料にキャビティをドリルで開けるのではなく、第二の埋め込み技術は、薄いウェーハパッケージをビルドアップ誘電層に直接配置します。 薄いパッケージのダイは基板に接合された後、PCBメーカーは液体エポキシまたは樹脂コーティングフィルムをダイ電材として適用し、コンポーネントを基板に成形します。EWLPはファンインを必要とし、ウェハーレベルで始まりますが、ECBU方法では、アクティブコンポーネントを完全に硬化したポリアミドフィルムの上に面を下にして取り付け、次元安定性のためにフレームに取り付けられ、ポリマー接着剤でコーティングされます。その後、メーカーはインターコネクト構造を構築します。 CIP方法は、一方で、薄いコンポーネントをコア基板の上に直接配置し、チップを接着剤で接合し、PCBのポリマー蓄積層にデバイスを埋め込みます。レーザードリリングは、コンポーネントの接触パッドへのビアを確立し、埋め込まれたアクティブコンポーネントの直上に受動デバイスを直接取り付けることを容易にします。 人生は試練に満ちている 心臓専門医はペースメーカーが機能すると仮定できません。ペースメーカーのインプラントにおいて心室および心房リードの配置が行われた後、心臓チームはペーシングチェックを実施します。ペーシングチェックの一部には、「境界電流」、つまり体の中心部から損傷した心臓への電流を確認することが含まれます。大きな電流は、リード先端電極と心筋との間に良好な接触があったことを示します。 それから、ペーシングチェックは、適切なミリボルト感知信号、正しいインピーダンス、適切なペーシング閾値、およびリード接続の安定性をテストします。これらのテストはそれぞれ、ペースメーカーが心臓の固有のリズムを感知し、心室を正しくペースし、心筋組織を電気的に捕捉するために必要なエネルギーを提供することを保証します。 組み込みアクティブコンポーネントも同様に徹底的なテストアプローチを必要とします。組み込みによりコンポーネントとPCBのサイズが小さくなることは利点をもたらしますが、プロセスによって欠陥が生じる可能性があります。小さく薄いはんだ接合部は割れることがあります。不適切な量のはんだペーストや誤ったはんだ付け温度も、弱い結合や断続的な接続を引き起こす可能性があります。 PCBのサイズを小さくすると、トレース間のショートサーキットの可能性が高まる場合があります。PCBにかかる機械的ストレスは基板を割れさせることがあり、はんだ付け中の表面張力の増加はトゥームストーニングを引き起こすことがあります。 これらの可能性を考慮すると、テストルーチンでは、オープントレース、トレース間のショートサーキット、およびマイクロショートをチェックする必要があります。埋め込みプロセスにはしばしば熱と真空圧が関与するため、変形したトレースや非導電性のビアもチェックするべきです。また、アクティブコンポーネントに対して機能的な低電圧テストを使用することも望ましいでしょう。新しいバージョンのフライングプローブテスターは、各側に4つのプローブを提供し、組み込みアクティブコンポーネントに対して包括的な機能テストを実行できます。 回路設計を行う際に適切なテストルーチンを確保することは、長い目で見ると手間を省くことができます。 これにはもう一つの側面があります 記事を読む
PCB設計内に割り当てられたテストポイントの検索とレポート PCB設計内に割り当てられたテストポイントの検索とレポート 1 min Thought Leadership 学校のテストでも運転免許のテストでも、仕事で日常的に口にする類のテストでも、「テスト」という語は、普段落ち着いている人を不安な気持ちにさせる可能性があります。反対に、テストに関わりがなければ同じ人でも明らかにリラックスしています。おそらく、PCB設計者は、自分の設計へのテストポイントの割り当てを終えると、大きな安堵のため息をつくでしょう。ただし、テストポイントを割り当てただけでは作業は終わりではありません。 PCB設計でのテストポイントの割り当ては、プロセスの前半部分に過ぎません。割り当て後は、テストポイントの割り当てを検証して、テストポイントの情報をレポートする必要があります。幸いAltium Designerには、テストポイントをチェックする高度なDRC機能と、テストポイント情報を使いやすいファイルに出力するためのユーティリティが用意されています。テストポイント割り当て後のそれらの手順の進め方について、以下で説明しましょう。 テストポイントの設定と割り当てのおさらい ここでは、製造中に自動的に行われるテストで使用される、プリント回路基板のテストポイントについて復習します。ベンチテストを実行するために技術者に提供されるPCBのテストの位置については説明しません。自動的に割り当てられたテストポイントの位置は、bare-board（製造）テストと、基板の組み立て後に行われるin-circuitテスト（ICT）の両方で使用されます。 Altium Designerには、テストポイントとしてビアおよびパッドを割り当てる機能があります。この割り当ては、特定のビアまたはパッドの属性を変更することにより手動で行うか、Testpoint Managerを使って自動で行うことができます。Testpoint Managerには、テスト対象のネット、テストポイントの候補とすべき特定サイズのビアまたはパッド、テストポイントのグリッド、その他のオプションなど、テストポイントの制約に関する設定があります。 Testpoint Managerを動作させるには、テストポイントのデザインルールを設定しておく必要があります。このルールは、後続の手順で行うテストポイント割り当ての検証にも適用されます。テストポイントの設定および割り当ての詳細については、 Altium DesignerでPCB設計のテストポイントを使用する方法をご覧ください。 割り当てられたテストポイントの検証 テストポイントを割り当てた後は、それらを検証して確認する必要があります。Altium Designerは、テストポイントのスタイルとデザインルールで設定した使用ルールに沿って、テストポイントの割り当てをチェックします。テストポイントのチェックは、製造担当に基板を送る前に実行する必要があるもう1つのDRCです。 テストポイントの割り当て後に基板を編集した場合、何らかの形でテストポイントに影響を及ぼした可能性があります。設計を次のフェーズに移行させる前に全てをチェックしておくことはよい設計習慣です。 テストポイントの割り当てについての最初の記事と同じ設計例を使用して説明します。 最初に行うのは、検証プロセスを実際に実行するためのエラー条件を組み込むことです。テストポイントの候補が全てオフグリッドのスルーホールパッドだったので、テストポイントのグリッドの使用はオフにしていました。エラーを見つけるため、テストポイントのグリッドを以下のように表示します。テストポイントのデザインルールは、[Design] ≫ 記事を読む
組み込みシステムでユニークID EEPROMを使用して、設計の模倣を防止します 組み込みシステムでユニークID EEPROMを使用して、設計の模倣を防止します 1 min Thought Leadership 賢い人が必ずしも最初にゴールするわけではないという言葉があります。大学時代、私の課題をコピーしていた同級生がいましたが、結局私よりも高い得点を取ることがありました。賢さが必ずしも大学でのトップの成績を保証するわけではなく、自分のアイデアを基に他人が成功を収めるのを見るのは心が折れることでした。 ビジネスの世界も似ています。競合他社が成功しているコンセプトをコピーして市場を支配することは珍しくありません。倫理的に疑問があるものの、偽造デザインは実際にかなり一般的です。設計エンジニアとして、私のデザインの偽造をできるだけ困難にすることが私の仕事です。 PCB全体をエポキシでコーティングすることを除いて、可能な限りのすべての手段を試みました。これには、ハードウェアの正確なコピーを作成して動作させることが不可能になるように、ユニークID EEPROM（電気的に消去可能なプログラム可能読み取り専用メモリ）を使用することが含まれます。組み込みシステムにユニークID EEPROMを含めることで、あなたも最悪のシナリオに備え、デザインの偽造を防ぐことができます。 ユニークID EEPROMとは何ですか？ EEPROMは、小さなデータサイズを保存するのに役立つ不揮発性メモリの一種です。 インター・インテグレーテッド・サーキット（I2C）またはシリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）を介してマイクロコントローラに接続されることが一般的です。EEPROMは数十年にわたり電子分野で使用されており、設定値のようなパラメータを保存するために使用されます。 ユニークID EEPROMは、消去不可能なIDを持つEEPROMです。ユニークIDの長さは、製造元によって32ビットから128ビットまで変わります。理論的には、2つのEEPROMが同じIDを共有する現実的な可能性はありません。これは、インターネット対応デバイスのユニークな メディアアクセスコントロール（MAC）アドレスの概念に似ています。 偽造防止のためのユニークID EEPROMの使用 完全に保護されていない組み込みシステムでは、PCBをリバースエンジニアリングしてマイクロコントローラからファームウェアを抽出することにより、偽造モデルを簡単に作成することができます。もちろん、コード保護機能を有効にしても、ファームウェアの複製が可能である可能性はありますが、より困難になります。 設計にユニークID EEPROMを含め、ファームウェアに検証手順を実装することで、大量の偽造を防ぐことができます。これが私が組み込みシステムで実装する方法です： 1. ユニークIDリーダーファームウェアの作成 EEPROMからユニークIDを読み取り、SDカード内のファイルに保存するシンプルなファームウェアを作成します。このファームウェアはユニークIDの取得のみを目的としており、後に実際のアプリケーションファームウェアによって上書きされます。 記事を読む
内部対外部サージ保護：PCBの完全な保護に最適なのはどちらか 内部対外部サージプロテクター：PCB全体の保護に最適なものは何か 1 min Thought Leadership 内部サージ保護であれ外部サージ保護であれ、電子デバイスは寿命を通じて健全を保つために何らかの保護が必要です。 記事を読む
小型電子回路設計には大量の注意が必要です 小型電子回路設計には大量の注意が必要です 1 min Thought Leadership 生活費の上昇に伴い新たな税金が定期的に導入される中、消費者が連鎖効果に苦しむのは時間の問題です。お気に入りの地元のレストランが価格を上げたり、提供量を減らすようになると、私はイライラします。もちろん、物事が変わらないことを望みますが、少し余分に支払うことで、少なくとも私の空腹を満たすことができます。 電子機器では、PCBの設計も私のお気に入りのパスタの皿のように小さくなっています。電子機器会社がますます小さなPCBに数百の機能を詰め込もうとする中、ハードウェア設計者は限界まで試されています。電気技術者は、PCBデバイスが機能上の問題がないことを確認しながら、より小さいPCBを使用して設計することが期待されています。PCB設計に関わる課題の数が増えているため、早い段階でコンパクトなコンポーネント設計のためのプリント基板を最適化する方法を学ぶことが重要です。 コンパクトなPCB設計のための役立つヒント あなたのPCBが不可能に小さいデバイスエンクロージャに収まる必要があると言われたとき、以下の重要なヒントに従うことができます： 1. 小さいサイズのコンポーネントを使用する 大きなパッケージ、例えば0805サイズの抵抗器は手作業でのプロトタイピングを容易にしますが、コンパクトな電子回路設計には適していません。組み立て業者が扱える最小の表面実装部品を見つけ、それらをプリント回路設計に使用してください。 クアッドフラットパッケージ（QFP）のようなマイクロコントローラーを使用すると、数百のピンがPCB上の貴重なスペースを占めることがあります。大きなコンポーネントをボールグリッドアレイ（BGA）パッケージに交換してください。 BGAコンポーネントでさらにスペースを節約します。 2. 小さなトラックと穴のサイズでルーティングする ほとんどのPCBメーカーは、4ミルまでの細いトラックを扱うことができます。その能力を活かして、可能な限りトラックを小さくしてください。もちろん、例外もあります。電力トラックや マイクロストリップアンテナは、計算された値に従って設計する必要があります。ビアやパッドのドリルサイズにも同じことが当てはまります。これらを最適化することで、大量のスペースを節約できます。 3. 識別子を体系的に配置する トラックやコンポーネントのためにデザインネータを削除するのは魅力的かもしれませんが、それは賢明な選択ではありません。代わりに、デザインネータを小さくして、小さなグループに整理してください。この配置が体系的な順序でコンポーネントを反映するようにしてください。これにより、密集したPCB内で部品を追跡するのも容易になります。 4. 多層PCBデザイン 設計が与えられたサイズに収まらないほどトラックの数が多い場合は、PCBの層数を増やしてください。多層PCBは一般的に標準の2層レイアウトよりも高価です。まず、電源層とグラウンド層を内層に移動して、4層のPCBを作成することから始めることができます。それでも不十分な場合は、層数を増やしながら、信号層をグラウンドプレーンで隔てて干渉を最小限に抑えることができます。 5 記事を読む
Altium Designerでの基板設計のテストポイントの使い方 Altium Designerでの基板設計のテストポイントの使い方 1 min Thought Leadership たぶん、小学校のときの抜き打ちテストの古い記憶のせいだと思いますが、「テスト」というものが心底好きな人はいないようです。「A Christmas Story」の小学生が 課題の作文に否定的な反応を示すように、世界中の人々は大抵テストを受けるということにやはり否定的な反応を示すものです。 それでもPCB設計者になろうとするなら、基板のテストポイントの使い方を学ぶことが必要になります。幸いなことにテストポイントの使い方は難しくはなく、どちらかといえば楽しみでさえあります。基板のテストポイントの使い方を以下に説明します。 ステップ1: テストポイントの再確認 回路基板上のテストポイントを必要とするテストには2種類があります。技術者によるベンチテストと製造中の自動テストです。ここでは後者について説明します。テストポイントを使う自動テストには2つのタイプがあります。基板の製造のためのベアボードテストと実装のためのインサーキットテスト（ICT）です。 実装の前に行われるベアボードテストは、全てのノード間の電気的接続が正しいことを確認するためのものです。ICTは、コンポーネントが正常に動作していることを確認するための、実装後のより機能的なテストです。どちらの場合も、テストを行うために試験装置のプローブを回路基板上のテストポイントと接触させます。 テストポイントのサイズ、間隔、クリアランス要件など、テストポイントのデザインルールを決定する方法についてはここでは触れません。これらのルールは、御社と基板製造業者のニーズによって異なるためです。代わりに、Altium Designer 18を使った回路基板へのテストポイントの割り当て方法と、使用しているテストポイントの設計ルールの設定方法について説明します。 ステップ2: テストポイントの手動での割り当て 回路基板のテストポイントの一般的なルールは、テストのためのプローブ可能な点を各ネットが持っている必要があるということです。これらの「テストポイント」は、製造業者が完成した基板をテストする際に使用するレポートを生成できるように、基板設計システム内で認識および分類されている必要があります。これを行うため、プローブ可能な点としてパッド、またはビアを追加することで基板上にテストポイントを作成します。Altium Designerは、これを手動と自動の両方で実行する機能を備えています。 テストポイントとしてパッド、またはビアを手動で追加するには、該当するパッド、またはビアを選択しそのプロパティを編集するだけで済みます。Altium Designerを使うと、そのテストポイントを製造（ベアボード）テストポイント、実装（ICT）テストポイント、またはその両方として設定できます。 Altium Designerを使うと、後で説明するようにテストポイントのデザインルールを設定することもできます。しかし、テストポイントを手動で設定すると、現在のルールはすべて上書きされます。下図に、スルーホールパッドのプロパティ設定を示します。このプロパティ設定では、下までスクロールして、基板の表面と裏面の製造テストポイントと実装テストポイントを両方とも有効にしました。 記事を読む
組み込みシステムの実装とテストの実施 組み込みシステムの実装とテストの実施 1 min Blog これらのシステム内の組み込みシステムとPCBは、展開前に徹底的にテストされる必要があります。 記事を読む