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無線システムにおけるアンテナ分離の設計 1 min Thought Leadership アンテナの分離は、アンテナ間の干渉を防ぎ、無線システムの多様性を確保するために設計されています。

PCB基板材料の熱特性

PCB基板材料の重要な熱特性 1 min Thought Leadership 信号の整合性だけが全てではありません。PCB基板材料の熱特性も信頼性にとって重要です。

PCBコアとプリプレグ材料：設計者が知っておくべきこと

プリプレグ材料とPCBコアの違い：設計者が知っておくべきこと 1 min Thought Leadership PCBの材料選択や製造プロセスについてもっと知りたいというデザイナーからの質問を時々受けます。私は製造業者ではありませんが、新しいプロジェクトに取り組む際に利用可能な材料について何かを理解することは、デザイナーにとって有益です。PCBのコアとプリプレグ材料の正確な違いについて質問を受けることがあります。これらの用語は、時には初心者のデザイナーを含めて、交換可能に使用されることがあります。私もこれに該当することを認めます。プリプレグとコアの違いが明確になったら、どのような材料を使用すべきか、重要な電気パラメータはメッキ、エッチング、硬化中にどのように変化するのか？GHz周波数で作業する必要があるデザイナーが増えるにつれて、これらの材料上でトレースを適切にサイジングし、複雑な信号整合性の問題を避けるために、これらの点は非常に重要になります。 PCBデザインにおけるコアとプリプレグの違いは何ですか？ PCBのコアと積層材は似ているようで、いくつかの点で大きく異なります。コアは実質的に1枚以上のプリプレグ積層材であり、これらは圧縮され、硬化され、熱で硬化された後、両面に銅箔でメッキされます。プリプレグ材料は樹脂で含浸されており、この樹脂は硬化されますが、未硬化の状態で残されます。ほとんどのメーカーは、プリプレグをコア材料を一緒に保持する接着剤として説明しています。プリプレグ積層材の各側に2つのコアが積み重ねられ、その積層体を熱にさらすと、樹脂が隣接する層に結合し始めます。硬化した樹脂は徐々にクロスリンキングを通じて硬化し、その結果としての材料特性はコア層のそれに近づき始めます。樹脂材料はガラス繊維を包み込み、このガラス繊維の製造プロセスは糸を製造するのに使用されるプロセスと非常に似ています。ガラス繊維は非常に密集している場合（例：7628プリプレグ）もあれば、緩い場合（例：1080プリプレグ）もあり、これは製造中に織機で制御されます。糸の隙間と全体的な均一性は電磁特性を決定し、これが信号がボード内で見る分散、損失、および任意のファイバーウィーブ効果の原因となります。 FR4 PCBコア/プリプレグ織物とその重要な材料特性。出典：Isola Group。 PCBコアとプリプレグ材料は、レジンの含有量、レジンの種類、ガラス織物によって、異なる誘電率を持つことがあります。これは、トラック上の信号によって見られる実効誘電率が周囲の材料の誘電率に依存するため、非常に正確なインピーダンスマッチングが必要なボードを設計する際に問題となることがあります。すべてのプリプレグとコア材料が互換性があるわけではなく、誘電率が大きく異なるコア/プリプレグのスタックは、相互接続における正確な誘電率と損失を予測することを難しくします（下記参照）。任意のPCBコアまたはプリプレグ材料において、高電圧での漏れ電流とクリープ電流は懸念されます。銅の電気移動とその後の導電性フィラメントの成長は、FR4材料のクリープ仕様の一因です。この問題、およびガラス転移温度と分解温度を上げる願望は、FR4コアとラミネートで非ジシアンジアミド（非DICY）レジンへの切り替えを促しました。フェノール樹脂は、DICYレジンと比較して、完全硬化後の高い分解温度とガラス転移温度を提供すると同時に、より高い絶縁抵抗を提供します。異なるコアとプリプレグ材料の実効誘電率コアとプリプレグ材料の明らかな構造的変化により、信号整合性の観点から誘電率と損失角の正確な値を得ることが重要です。信号の立ち上がり時間が短い場合、マーケティングデータシートから値を取ることができるかもしれません。しかし、膝周波数やアナログ信号がGHz範囲に達すると、データシートから引用された値に注意が必要になります。特に、インピーダンス制御ルーティングを使用して相互接続の挙動をモデリングする場合はそうです。データシートの値の問題は、実際に測定される誘電率はテスト方法、ルーティングの形状、特定の周波数（特にGHz範囲）、樹脂含有量、さらには材料の厚さに依存するためです。ジョン・クーンロッドは、最近のポッドキャストでこの問題について広範囲にわたって議論しています。異なるPCBコア/プリプレグ材料の織りパターンは、それらを非常に不均一で異方性のあるものにしており、重要な材料特性が空間内および異なる方向に沿って変化することを意味します。これが、スキューやファイバー空洞共振などのファイバーウィーブ効果が存在する理由です。あなたは思うかもしれませんが、なぜラミネートの厚さが材料特性を特徴づける際に重要なのでしょうか？その理由は、信号の挙動を特徴づける重要なパラメーターが有効誘電率（これは複素数の量です！）であり、これは使用するトレースの寸法と層の厚さに依存するからです。マイクロストリップおよび対称ストリップライン伝送線に関するこれらの記事をご覧ください。

電源プレーンリターンパス

パワープレーンとグラウンドプレーン：PCBのパワープレーンをリターンパスとして使用すべきですか？ 1 min Thought Leadership 電源プレーン（電源層とも呼ばれる）とグラウンドプレーンは、電力供給の配布以上の重要性を持っています。インピーダンス制御ルーティングでの基準プレーンの定義や、リターンパスの管理においても、スタックアップはリターン電流がPCBの電源プレーンに入り、その後グラウンド層に再結合されるよう強制することがあります。インピーダンス制御トレース幅の基礎としてGND基準層を定義しても、設計内の電源層の長さに沿った明確なリターンパスを定義する必要があります。電源層をリターンパスとして使用するPCB内でのリターンパスを制御するための良い実践をいくつか見てみましょう。 PCBの電源プレーンをリターンパスとする場合の信号挙動「リターンパス」と言うとき、設計内でリターン電流が自然に従うパスのことを指します。このパスにより、電流はPCBアセンブリの入力側の低電位端子に戻ることができます。伝送線上で移動する信号にとって、リターンパスは線とその基準プレーンの間の容量によって決まります。容量が大きい、周波数が高い、またはその両方である場合、リターン電流は変位電流として容易にグラウンド層に入ることができます。これは、伝送線とその参照平面との距離が、その参照平面のタイプが何であれ、実際の設計においていくつかの重要な電気的振る舞いを決定することを意味します。そのような振る舞いには、外部ソースからのEMI感受性があり、これは大きな電流ループを介して誘導的に、または電場を介して静電容量的に受信されることがあります不一致のインピーダンスは、平面領域間、ギャップを越えて、またはインターコネクトに沿ってトレース幅が変化する場合に生じます他のトレースからのクロストークは、設計が伝播中の損失は、伝送線と近くの参照平面または他の導体の間の場の線の集中によって発生します返り経路または信号参照を提供する隣接層としてパワープレーンまたはグラウンドプレーンのどちらを使用するか選択できる場合は、常にPCBグラウンドプレーンを選択するべきです。これには2つの理由があり、以下で詳しく説明します。静電容量結合電力プレーンがどのようにして（あるいはしないで）任意の種類のリターンパスとして機能するかを議論する前に、我々は次の質問をしなければなりません。伝送線から電力プレーンPCBへの電流はどのようにして入るのでしょうか。答えは、容量性結合です！上述のように、リターンパスは伝送線と近くの導体の間で誘導されることが記されています。近くのプレーン層については、線とプレーンの間に電気ポテンシャルが変化するたびにこれが発生します。したがって、プレーンの隣でトレースが配線され、デジタル信号がそのトレースを通過するとき、我々は今、プレーン層で変位電流が駆動されていることになります。近くのプレーンが、電力入力時の低ポテンシャル点と同じポテンシャルのグラウンドプレーンであれば、全てがうまくいくでしょう。これの問題点は、電流が電力プレーンから近くのグラウンド層へと移動する必要があるとき、電流は別の誘電体層を通ってPCBグラウンドプレーンに到達する必要があるということです。スタックアップの設計方法や信号が誘導される基板の領域によって、2つの層の間のキャパシタンスは、電源プレーンとグラウンドプレーンの間に非常に高いインピーダンスの経路を形成する可能性があります。スタックアップによっては、以下に示すような単純な4層スタックアップの場合、電源層とPCBグラウンドプレーン層の間のプレーンキャパシタンスは非常に小さく（平方ミリメートルあたりフェムトファラドのオーダー）、非常に高速なデジタル信号や非常に高周波のRF信号を除いて、極めて高いインピーダンスのリターンパスを作り出します。この電源プレーンとグラウンドプレーンの間の旅の中での唯一の他の選択肢は、以下に示すように、最も近いデカップリングキャパシタを通ることです。どちらの場合でも、基板のどこかでEMI問題が発生する可能性があります。通常の低速シングルエンド信号（たとえば、立ち上がり時間が制限されたI2CやSPI信号など）の場合、このGNDへの結合から発生するEMIが最大の問題ではないかもしれません。これは、純粋なDCや低周波アナログデバイスではまったく発生しません。しかし、今日の標準CMOSコンポーネントでは、一般的なデジタルコンポーネントのシングルエンドバスでもこの問題が発生する可能性があります。では、解決策は何でしょうか？解決策は、PCBスタックアップの再設計にあります。最も簡単な方法は、グラウンドリターンを提供するレイヤーを追加することです。一般的に、すべてのGNDプレーンが適切に間隔を置いてステッチングビアで繋がれている限り、他の設計変更は必要ありません。設計の観点からより時間がかかるものとして、上記の4層スタックアップのように、PWRとシグナルを同じレイヤーに配置し、その上にPWRをプアとして同じレイヤーに追加することが挙げられます。 4層例上記の例の4層ボードでは、連続したビットストリームを提供する必要があるバスとラインを、GNDの直上のトップレイヤーに配置するのが最適です。RCやシリーズ終端で遅延させることができる制御信号などの他の信号は、バックレイヤーに配置することができますし、その他のサポートコンポーネントも同様です。しかし、両方の表面レイヤーにデジタルバスを持つ4層PCBが必要な場合、最良の実践は代替スタックアップを使用することです。このスタックアップは、ノイズを抑制し、どこでもクリアなリターンパスを提供する最良の代替手段と言えるでしょう。これはSIG+PWR/GND/GND/SIG+PWRスタックアップで、信号と電力は上層でルーティングされます。これにより、電力レールは隣接するGNDプレーンに近接して配置されるべきであるため、非常に強力なデカップリングが提供されます。この代替4層スタックアップについてもっと学ぶこのボードには、複数の電力レールがある場合に生じる可能性のある難しさが一つあります。4層ボードが両層に高速信号を必要とし、複数の電力レールと強力な電力整合性が必要な場合、標準のSIG/GND/PWR/SIGスタックアップは機能しません。ここで、2層を追加して6層スタックアップを構築することが最良の選択です。

インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較

インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較 1 min Thought Leadership 適切な層の材料で、インピーダンスをコントロールした設計をしていますか ? PCB設計のより細かい点について最初に学び始めたとき、コアは特殊な材料であるという印象を受けました。これは必ずしも真実ではありません。設計者には、要求に最も適したコア/プリプレグの配置を選択する自由があります。インピーダンス配線の制御に関して言えば、特に高周波数では、分離絶縁体としてコア層とプリプレグ層のいずれを使用するかが重要な問題になります。それでは、どちらの層がインピーダンス配線のコントロールに最適なのでしょうか? 基板のインピーダンスをより細かく制御するには、ガラス繊維の影響を考えるに先立ち、より高い、比誘電率の均一性が必要です。また、製造後の基板の比誘電率の一貫性と予測可能性も高い必要があります。ここでは、プリプレグ層とコア層の位置を決定する際に、レイヤー構成に適した材料をどこで慎重に購入する必要があるかを説明します。プリプレグvsコアにおけるインピーダンスコントロールコアは、厚くて硬いガラス繊維の層で、通常は層数の少ない基板の中央に配置されます。私が見た限りでは、「コア」という語を使用すると、新人設計者は文字どおり、「あらゆる設計は、基板の中心にコアがあり、その周りに他の層が組み込まれているに違いない」と受け止めます。私は、特に層数が増加するにつれて、これは必要条件ではないことを後から学びました。実際には、コアとプリプレグの層が交互にあり、中央の層は必ずしもコア層ではありません。重要なのは、コア層が配置されている場所に関係なく、レイヤー構成は対称であるという点です。プリプレグは、製造の時点では完全には硬化していない材料で、コア層間の接着剤を形成します。最近かかわった、板厚が標準的な1.57mmの基板を扱ったプロジェクトでは、外層にRogersのコア、内層にFR4プリプレグ/コアを使用しましたが、このタイプのハイブリッド多層板 (FR4にPTFEを積層) はよく使用されます。材料によってコストが異なるので、コストは結果を左右する要因です。したがって、低損失の積層板は、一般に高速/高周波信号を伝送する層のために予約されています。通常、比誘電率と厚さの両方に関して、コア層はプリプレグ層よりも高い再現性を持っています。これは、コア材料がすでに銅箔と結合されているからです。これに対し、プリプレグの製造業者は原材料の比誘電率の範囲しか指定できず、アセンブリ後の比誘電率を指定していません。そのような状況が、相互接続上の信号によって参照される実効比誘電率を決定します。特殊な低損失プリプレグ積層板の中には、比誘電率が非常に幅広いバリエーション (50%以上) を持つものがあります。シングルPly CoreかダブルPly Coreか? ガラス繊維の織り方が異なるコア材料の中には、比誘電率が大きく異なるものがあります。これは、特定のコア材料がシングルplyかダブルplyかによっても異なります。106コアと106/1080コアが完璧な例です。これらの材料の比誘電率は約10%変動しますが、既存のデザインを使って、シングルply coreとダブルply

アルティウムとSimberian社のパートナーシップにより成長を続ける高速設計機能

アルティウムとSimberian社のパートナーシップにより成長を続ける高速設計機能 1 min Thought Leadership アルティウム社員一同より新年のご挨拶を申し上げます! 今年最初の記事では、Simberian社の営業およびマーケティング責任者であるRoger Paje氏に、最近締結された当社との正式なパートナーシップについて、またSimberian社の高精度フィールドソルバーテクノロジーによるAltium Designerのレイヤースタック、インピーダンス、表面粗さのモデリングなどの新しい高速設計機能の導入支援についてのお話を伺います。これらの拡張機能はAltium Designer 19で初めて搭載され、Altium Designer 20で強化されました。今後はさらに多くの機能が搭載されることをご期待ください。 Judy Warner: Rogerさん、Simberian社について、そして同社でのあなたの役割についてお聞かせください。 Roger Paje: 弊社は、PCB構造、および基板のシグナルインテグリティー解析のための電磁シミュレーションソフトウェアを開発しています。当社の使命は、技術パートナーと共に、実際の現場での測定により検証された正確な結果を技術者に提供することです。営業、およびマーケティング責任者としての私の役割は、お客様とシグナルインテグリティーコミュニティーとも協力して、設計が最初から機能するように検証できるソフトウェアを作成することです。 Warner: 最近、アルティウムとSimberian社は正式な提携を発表しました。その内容と、PCB設計者がAltium Designerで引き続き実行できることについてお話しいただけますか? Paje: アルティウムとSimberianの提携で重点的に取り組むことはただひとつ。より多くの技術者が正確なシグナルインテグリティー解析を利用できるようにすることです。これは、PCIe

高速配線のための高度なPCBガイドライン

高速配線のための高度なPCBガイドライン 1 min Thought Leadership これらの高速配線ガイドラインを使用して、高度なPCB用のこの先進的なボードを作成できます新しい設計はますます高速化しており、PCIe 5.0は32 Gb/sに達し、PAM4は信号の整合性と速度を限界まで押し上げています。適切なインターコネクト設計は、高度なデバイスの低ノイズマージン、完璧な電力安定性要件などを考慮し、信号が適切に受信されることを確実にする必要があります。高度なデバイスが低い信号レベルで動作するため、高速配線ガイドラインは、インターコネクト全体でのインピーダンス不連続による信号損失、歪み、反射を防ぐことに焦点を当てています。特に多レベル信号を使用する場合、超高速信号には、ここで提示されたすべての高速設計ガイドラインを真剣に考慮し、実践に移す必要があります。重要な高速配線ガイドライン高速がサブナノ秒領域に達する場合、特に新しいPCIe世代で、高速ネットワーキング機器をサポートするために、どの設計者もいくつかの基本的な高速PCB配線ガイドラインを心に留めておくべきです。新しいデバイスが引き続き速度制限を破るため、アプリケーションを満足させるためにいくつかを選択するのではなく、これらのガイドラインすべてを念頭に置く必要があるでしょう。制御インピーダンスルーティングと電力整合性のためのスタックアップ信号整合性だけでなく、電力整合性にとっても、スタックアップは重要です。同様に、信号帯域が10GHz台にまで拡大する場合、特に多レベル信号方式（例えば、400GネットワーキングのPAM4）を使用する場合、インターコネクトのインピーダンスを制御する必要があります。これは、適切な終端とマッチングを確保するためです。また、リンギング（つまり、過渡応答を臨界的に減衰させる）を最小限に抑えるためにトレースのサイズを適切に設定しながら、インピーダンスを一定に保つ必要があります。これには、入念なスタックアップエンジニアリングとインターコネクト設計が必要です。差動ペアルーティングと長さのマッチング共通モードノイズが信号整合性における主要な問題であるため、制御インピーダンスルーティングの一環として、差動ペアの長さ全体にわたって十分な結合を確保する必要があります。これには、差動ペアの長さに沿った位相マッチングも必要です。可能な限り、結合領域は直接レシーバーに伸び、結合されていない領域はドライバーに限定され、長さがマッチしている必要があります。これにより、共通モードノイズは完全に位相が揃っていると見なされ、レシーバーで完全に抑制されます。適切な基板材料を選択する高速立ち上がり時間が求められる場合、低損失正接とフラットな分散特性を持つ基板材料を見つける必要があります。ここで分散は非常に重要であり、インターコネクトの長さに沿ってインピーダンスと伝搬定数が連続的に変化することを引き起こします。まず、分散は電磁パルス（すなわち、デジタル信号）が伝播するにつれて広がる原因となります。第二に、強い分散の存在下では、信号の立ち上がりエッジで見られるインピーダンスが、立ち下がりエッジで見られるインピーダンスと一致しないため、強い歪みが生じます。関連する帯域幅で誘電率がフラットであることを確認する必要がありますが、これは12 GbpsでのPAM4では簡単に30 GHzに及ぶことがあります。短いトレースとバックドリリング