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インタープレーン容量とPCBスタックアップ インタープレーン容量とPCBスタックアップ この記事は、インタープレーン容量に関する洞察を提供し、PCBスタックアップの設計プロセスに対するガイダンスを提供することを目的としています。技術の進化を時が経つにつれて見ていくことは、PCBスタックアップに対する要求がどのように変化してきたかを見るのに役立ちます。 PCB製造の初期には、ロジック回路が非常に遅かったため、唯一の懸念事項はロジック部品やディスクリート部品間の接続をどのように行い、各部品にDC電力を供給するための経路を提供するかでした。必要だったのは、すべての配線に対して十分な信号層を提供し、DC電力を最小限のサグやドロップで供給するために電力経路に十分な銅を配置することでした。使用されるガラスクロスの種類や、樹脂システム、各ラミネートの厚さは重要ではありませんでした。目標は、はんだ付けプロセスに耐え、信頼性がある最低価格のPCBを提供することでした。 最終的にICは、反射やクロストークなどの問題が重要になるほど高速になりました。これを実現したロジックファミリーはECLでした。当時、ECLの主なユーザーはIBM、Control Data、Cray Researchなどの大手コンピュータ企業でした。これらの企業には、スタックアップを設計するために必要なインピーダンス計算を行うエンジニアが在籍しており、また、公共市場の製造業者がまだ彼らの要件を満たすために必要な製造管理を行う能力を持っていなかったため、自社内にPCB製造施設を持っていました。 1980年代半ばには、当時最も一般的に使用されていたロジックタイプであるTTLが高速化し、反射が問題となり、PCBに制御インピーダンスが必要になりました。TTLやCMOSで設計していたエンジニアのほとんどが、制御インピーダンスPCBをどのように実現するかについての理解を持っていなかったため、彼らは製造業者に既知のインピーダンス、通常は50オームのPCBを提供するよう要求しました。製造業者は、その能力を持っていませんでした。なぜなら、彼らのスキルセットにはめっき、エッチング、積層、穴あけが含まれていたからです。それでも、エンジニアは製造業者にインピーダンス計算を要求しました。筆者はこの時期に活動しており、製造業者がインピーダンスを計算する能力を開発するのを手伝うために多くの時間を費やしました。このタスクにおける彼らのスキルは非常に当たり外れがあり、多くの場合、今日でもそうです。 この後すぐに、並行して走るトレース間のクロストークが問題となり、設計者はトレースがどれだけ近く、横に並び、上下に配置されるかに注意を払う必要がありました。 1990年代半ばになると、速度が大幅に上昇し、100MHz以上で動作する必要がある容量を必要とするため、ほとんどの製品がEMIで失敗していました。電源レールに配置された離散キャパシタでは、その取り付けインダクタンスのためにこの問題を解決できませんでした。これが、インタープレーン容量または埋め込み容量として知られるようになった理由です。インタープレーン容量は、電源プレーンとグラウンドプレーンを非常に近く、通常は3ミル未満に配置することで作り出されます。 したがって、現在、スタックアップ設計には3つの要求があります：制御されたインピーダンス、クロストーク制御、そしてインタープレーン容量の必要性です。一部の製造業者はスタックアップでインピーダンスを正しく得ることができますが、他の2つを考慮する方法はありません。この責任は、必要なものと必要な制御を実装する方法を唯一知っている設計エンジニアにあります。 2000年代半ばまでに、多くの差動ペアの速度が非常に速くなり、ラミネートやプリプレグに使用されるガラス織物がスキューとして知られる現象を引き起こし、信号を破壊することがありました。スキューとは、受信機に到着する際の差動ペアの二つの側面のずれのことです。さらに、ラミネートの損失がこれらの高速信号に影響を与え始め、エンジニアリングチームは損失目標を満たすとともに上記のすべての要件を満たす低損失ラミネートを求めることを余儀なくされました。これらのニーズを満たすための利用可能な材料に関する詳細な議論は、このドキュメントの第3章に含まれています。 上記の理由から、設計エンジニアは設計を主導する必要があります。これを成功させるためには、製造プロセスと材料に関する徹底的な理解が不可欠です。このセクションでは、制御インピーダンス、クロストークの管理、適切なインタープレーン容量の作成、スキューを管理するための正しい織物の指定という4つの制約を満たすPCBスタックアップの設計に関わるすべてのトピックをカバーします。 インタープレーン容量を考慮してレイヤーを配置する 特定の設計において、電源層、グランド層、および信号層の数が決定された後、すべての信号整合性ルールが遵守され、電力供給のニーズが満たされるようにそれらを配置することは、一連のトレードオフです。層間キャパシタンスが必要な場合は、グランド層と電圧層が互いに近接して配置される必要があります。 図2.1 は、10層PCBにおけるルーティング層と電源層キャパシタンスの間のトレードオフの例です。図2.1の左側のスタックアップには6つの信号層がありますが、密接に配置されたプレーンのペアは1つだけです。これはルーティングスペースには良いですが、層間キャパシタンスが必要な場合には電力供給にはあまり適していません。右側のスタックアップはルーティング層が4層しかないです（最も近いプレーンから遠すぎるため、2つの外側層は適切なインピーダンスを達成できませんが）、しかし今はプレーンのペアが2セットあります。これは層間キャパシタンスには良いですが、ルーティングスペースにはそれほど適していません。 図2.1 10層PCBの層を配置する2つの可能な方法。 上記の両方のケースにおいて、すべての信号層は、外側の2層を除いて、ラミネートの断片を通して平面と結合されています。前述のように、これらの層は最も近い平面から遠すぎて、適切なインピーダンスを達成することができません。これらは電源トレースやコンポーネントの取り付けパッドに使用できます。 層の配置が決定されたら、次のステップは、最低のコストで最高の性能を達成するために、各誘電体層の厚さを選択することです。クロストークを最小限に抑えるためには、信号層とその平面パートナーの間の空間に対してSI目標を満たす最も薄いラミネートを選択することが望ましいです。これが完了すると、目標インピーダンスを達成するために必要なトレース幅が計算されます。その後、電力平面間のプリプレグの厚さが、絶縁破壊電圧要件を満たし、隣接する平面の空隙を十分に樹脂で満たすことができるように選択されます。これは通常、3ミル厚の単一ガラスプライで、約2.5ミルに圧縮されます。 図2.1の右側の例では、選択されるべき3つのプリプレグ層が残っています。これらは、スタックアップの中央にあるものと、外層のすぐ下にある2つです。（このスタックアップの外層は制御インピーダンス層として使用できないため、その下の平面上の高さは重要ではありません。）これら3つのスペースの厚さは、最終的な厚さに到達するために材料を追加するために使用でき、これら3つのエリアの厚さの変化はPCBの全体的な性能にほとんど影響を与えません。
チャネル動作マージンはそんなに悪くない チャネル動作マージンはそんなに悪くない COMとは何か？ Channel Operating Margin（チャネル動作マージン）またはCOMは、よく理解されていない概念です。理解されていないため、多くの人々はそれが本当に何かを意味するのか疑っています。結局のところ、チャネル品質がデシベルで表される単一の数字でどうやって表せるのでしょうか？実は、COMはアイパターンを使用したチャネル検証技術の長い進化の最新の段階なのです。このブログでは、COMの進化をその起源まで遡り、悪名高いCOMメトリックに意味を与えます。 最初のチャネル動作マージン：アイパターン まずはアイパターンから始めましょう。アイパターンは、長いシリアルデータの流れを見る方法です。Keysight ADSやPyBERT [1] [2]が登場する前は、アイパターンはデジタルサンプリングオシロスコープやリアルタイムスコープで測定されていました。アイパターンウィンドウでは、y軸の単位は電圧で、x軸の単位は2つの単位間隔にわたる時間です。単位間隔、またはUIは、1ビットが通過するのに必要な時間です。したがって、2UIの時間内に、画面の中央に1ビットのデータを半ビットのマージンを両側に持たせて中央に配置できます。しかし、1ビットだけを見るのではなく、すべてのビットが一度に重なり合い、シリアルデータの全ストリームが画面上に表示されるまで重ねていきます。信号品質は、中央の穴の大きさで定量化されます。アイパターンがとても良好に見える場合、エンジニアが「そのアイを通してトラックを運転できる！」と言うことがあります。開口部を定量化する最も一般的な方法は、幅、高さ、または面積です。アイのDC点での交差はジッターであり、ジッターは通常、ヒストグラムを用いて統計的に測定されます。 図1. シリアルビットストリームの例。 早期のチャネル仕様、そして場合によっては受動部品の仕様では、合否判定基準としてアイマスクと呼ばれるものが使用されていました。アイマスクは通常、アイ幅とアイ高さによって定義されるダイヤモンド形の領域です。合格するアイは、アイマスク内に検出されたサンプルまたはヒットが限られた数しかありません。1と0のパターンは標準によって指定され、通常は疑似ランダムビットシーケンスまたはPRBSパターンです。基本的に、パターンを10Gb/s未満と10Gb/s以降の2つのカテゴリーに分けることができます。10Gb/s未満では、ほとんどのシステムで8b10bエンコーディングが使用され、PRBS 7が適切なパターンでした。IEEEが802.3baで10Gb/sを導入したとき、エンコーディングは64b66bスクランブラーに切り替わり、PRBS 31が主流になりました。今日でも112Gb/sで、PRBS 31、またはQPRBS 31が最も使用される標準パターンです。 統計的に言えば 測定されたアイパターンの後、StatEyeは受動チャネルを評価する次の方法であり、OIFによって広く使用されました。StatEyeの背後にある考え方はここで詳しく説明されています：[3] 簡単に言うと、StatEyeはシステムのパルス応答を使用してアイパターンを予測します。パルス応答とは、1-UIの正方形パルスで興奮させたシステムの時間領域応答であり、システムは等化を含む受動チャネルです。StatEyeで利用可能な等化技術には、FFE、CTLA、DFEがあります。システムの伝達関数はSパラメータから収集されます。チャネルSパラメータはシミュレートできるため、StatEyeは多くのチャネルと等化設定を試して、何が機能するかを見る効率的な方法です。その間、アイマスクは統計的に予測されたアイオープニングを使用しての合格/不合格基準です。 StatEyeとCOMの間のどこかで、ピーク歪み分析（PDA）がある程度一般的になりました。この方法は、HeckとHallによって「高速デジタル設計のための高度な信号完全性」[4]でよく文書化されています。要約すると、StatEyeと同じパルス応答を使用しますが、出力は単にいわゆる最悪のケースのアイ開口となります。PDAはデータをでっち上げないため、個人的に好きな理由です。自分で実装してみたところ、PDAは高い信頼性を持って最悪のケースのアイパターンを予測することがわかりました。しかし、PDAとStatEyeはチャネル内の送信機と受信機の影響を含まず、最適なイコライゼーション設定を手動で見つける必要があります。
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8つのフレキシブル基板の利点 8つのフレキシブル基板の利点 私がキャリアをスタートしたばかりの頃、フレキシブル基板のアプリケーションは私たちの想像力によって制限されるだけであると言われたことがあります。そのことを思い出しては、このコメント以上に同意できることはないと考えさせられます。こういった「あぁ！」という瞬間の大部分は、私たちがさまざまなサンプルの集まりをやり取りしているときに起こり、特定の形状や柔軟な考え方が新しいアイデアを生み出します。 私の仕事の中で気に入っていることの1つは、パッケージング問題を解決する方法を考え出そうとしている設計者またはエンジニアのグループと仕事をしているときの魔法の瞬間です。多くの場合、フレキシブル基板のサンプルを見た後で、問題の解決に役立つ可能性があるというアイディアで設計者の目が輝き、その瞬間からブレーンストーミングが始まります。このようなプロセスの一部になるのは非常に楽しいです。 私がフレキシブルとリジッドフレキシブル基板で設計することに喜びを感じるのと同じくらい、フレキシブル基板を使わない方を好む人もいます。もちろん、そのためらいは理解できます。新しい技術には常に学習曲線があります。学ぶべき新しい材料、新しいデザインルール、さらには新しい製作者を見つける必要があるかもしれません。それは恐ろしいことです。そのため、私はパッケージの問題を解決するためにフレキシブルとリジッドフレキシブル基板を使用することによる上位8つの利点について試してみることにしました。この試みは、新しいアイデアを刺激するか、またはフレキシブル基板を取り入れることを検討する動機を提供するでしょう。 フレキシブル基板の利点とは？ １）パッケージングの問題を解決すること：私はこれが最も明白だと思います。材料はコーナーのまわりで曲げたり、折ることができ、三軸の関係を提供し、そして分離された部分がありません。電子部品および機能要素は、フレキシブル基板を折り曲げ、接続するために形成することができ、製品内の最適な位置に配置することができます。ここが想像力を働かせるところです！ ２）必要なスペースと重量の削減：SWaP、つまりスペースの重さとパッケージングは、プリント基板設計において引き続き重要なトピックです。フレキシブル基板は、かさばるワイヤーとはんだ接続を排除することができ、コンポーネントと構造によっては、重量とスペースを最大60％節約し、パッケージサイズを大幅に縮小することができます。フレキシブル基板の材料は、従来のリジッド基板よりも薄型です。 ３）組み立てコストの削減：大きなワイヤーとケーブルを交換することで、配線を削減または排除します。これにより、組立の人件費だけでなく、ワイヤーのコスト、複数の発注書を作成するためのコスト、受け取りおよび検査、キッティングも削減できます。これはさらに詳しく調べる価値があります。 ４）動的屈曲を容易にする：適切に設計された場合、フレキシブル基板は数百万の屈曲に耐えることができます。ディスクドライブは、1000万〜1億のフレックスサイクルを伴う一般的な例です。もう一つの良い例は、ノートパソコンのヒンジです。これらのフレキシブル基板は、コンピューターの耐用年数にわたって何万という屈曲に耐えることができます。 ５）熱管理：ポリイミド材料は高熱用途に耐えることができ、薄いポリイミドはより厚い、より熱伝導性の低い材料よりもはるかによく熱を放散します。そのため、より高い電力、より高い周波数の設計、またフレキシブル基板の設計において著しい成長を見ることができます。 ６）製品の外観を向上させる：ユーザーが製品の機能要素に触れると、外観が決定に影響を与えることは事実です。見た目が決定に影響を与えたお気に入りの例は、手のひらサイズの焼灼ツールが診療所で設計、使用されていたお話です。患者は、焼灼ツールの接続に使用されたワイヤーを見ることができたのです。これは、患者の手術に対する信頼度を下げる結果につながりました。そのワイヤーは非常に単純なポリイミドフレキシブル基板で再設計され、手術に対する信頼は著しく向上しました。機能性に違いはありませんが、なめらかなフレキシブル基板はアンケート調査の結果、はるかに高い得点を記録しました。 ７）生体適合性：ポリイミド材料は生体適合性に優れており、そのために医療用途とウェアラブル用途の両方で通常使用されています。先端技術は銅導体を金導体に置き換えることもでき、生体適合性のある選択肢を提供します。 ８）信頼性の向上とオペレーションミス発生の減少：リジッド基板とワイヤケーブルをフレキシブルまたはリジッドフレキシブル設計に置き換えると、必要な相互接続の数とレベルが減り、システム設計を大幅に簡素化できます。接続は回路アートワークによって制御され、人的ミスの可能性を排除します。 リジッド基板　vs　フレキシブル/リジッドフレキシブル基板 ワイヤー、ケーブル、そしてリジッド基板はよく知られた解決策であり、常に設計を始めるのに最適なスタート地点になるでしょう。フレキシブル基板についてもっと真剣に考え始める必要があるのは、従来の方法では設計上、そしてパッケージ上の制約をまったく解決できない場合です。 それは、つま先を水に浸して水に慣れるように、単純な フレキシブル基板から始めて、思った通りのフレキシブル基板設計ができるケースかもしれません。あるいは、いきなり両足で飛び込むような、マイクロビアで多層フレキシブル基板の設計に取り組むような難解なケースかもしれません。いずれのケースにしても、私たちは設計者にサポートを提供しています。 こちら をクリックして詳細をご連絡ください。
5つのテクノジー未来予測 — 激動の10年 OnTrack Newsletters 5つのテクノジー未来予測 — 激動の10年 2019年は革新に満ちた年になるでしょう。過去数年間は変動の激しい時代であり、この技術革新とそれがもたらす変動の傾向は2019年も続くと考えられます。 人工知能（AI）などの動向について心配している方もいますが、私はまだ楽観的に捉えています。私たちの文明が最も長期的にうまく発展する要素となるのは、定期的に抜本的な改革が行われることです。変動が頻繁に生じることで、人々は新しい行動を開始してより大きく、より優れたものを創造し、新しい可能性を切り拓きます。これは、人間は総じて前に突き進むという本質を持ち合わせている証拠だと思います。 この点を念頭に置いて、今後10年間に何が起きるかを予測してみましょう。 予測1: 人工知能（AI）がメインストリームとなる 多くの方は、この点について私と意見が異なると思います。しかし、私の見方は多くの方から聞く話とは多少異なるのです。人工知能（AI）、すなわち「機械」が人間を支配し、奴隷化するようなことが起こるとは私には思えません。私たちは機械を作り出し、それを非常に生産的な目的のために使いこなすようになるはずです。 Microsoftは2016年3月に、Twitter上でAIチャットボットを公開しました。これは当初、機械学習を使用して人々との対話能力を向上させ、より人間らしくなるよう設計されていました。しかし24時間もたたないうちに、このボットは人種差別的かつ女性差別的な権化となってしまいました。私たち人間は、人工のいわば「胎児」を取り上げ、人間の善の部分ではなく悪の部分を見せた結果、その成長をねじ曲げてしまったのです。完全に失敗です。 人間が奴隷になる可能性は依然としてありますが、AIによってではないでしょう。もし起きるとすれば、それは間違った人間の手で、まったく人間らしい形式でコントロールされるシステムによるものでしょう。私は、ほとんどの人間が本質的に善良であると信じています。しかし、テクノロジーを悪事のために使おうとする人間も存在することは確かです。コンピューターシステムはその悪意を拡大する可能性があり、そのような可能性に対して十分な注意を払い、監視すべきと考えます。 AIは今後10年の間にメインストリームになるでしょう。機械が知性を持つわけではありませんが、他の点では人間の能力と区別がつかないものとなり、多くの点で人間を超えるでしょう。ただし、私たちが責任をもってこのテクノロジーを管理し続ける限り、大きな恩恵が得られます。 予測2: 幹線道路はずっと安全になり、建設工事はほとんど行われなくなる 今後10年間の終わり頃に、幹線道路のカープール専用車線が自動運転車用の車線に変わり始めるでしょう。この車線では、高速道路で自動運転が行え、オートネットに接続する車両のみが走行を許可されるようになります。10年後には、事実上全ての商用車両が接続し、個人用車両も20%近くは接続するでしょう。 Autonetはインターネットの一部で、移動中の車両専用に設けられます。これは、車両に関係する全ての要素への集団的意識となるよう設計されています。Autonetでは、自分の周囲に対する認識だけでなく、ネットワーク接続された車両の全てのセンサーおよび処理能力が認識対象のデータセットとして統合され、ネット上の全ての車両その他からアクセス可能になります。 このAutonet接続により、これらの車線を走行する全車両は実質的に1つの存在として行動することになります。より高速な走行が可能になり、車両間隔が狭くなり、それでいて今日の車両よりはるかに安全なものとなるでしょう。この車両自動化により、高速道路を拡張する必要はなくなり、既存の高速道路の実質的な許容量を大幅に拡大できます。 予測3: 医療の概念が劇的に変化する 今日、健康ビジネスは大きな産業となっています。その大部分は定期的な健康診断を受け、食事を改善し、運動量を増やすことを推奨するもので、医療保険会社のコストを削減し、平均寿命を伸ばすことが目的となっています。今日の健康パラダイムに関する問題の一部は、私たちが過去30年間に経験してきた医療技術の進歩モデルに基づいて構築されていることです。現在、テクノロジーと医療の連携方法には抜本的な変革が起きています。これは、パーソナルコンピューター、インターネット、スマートフォンの導入が私たちの日常にもたらした変化と同様の大きなインパクトを及ぼすものです。 私の予測では、今後5年から10年の間に、自分の体細胞から培養した臓器の移植が実現します。3Dプリントされた分解可能な構造がスキャフォールド（足場）となります。患者の皮膚から取られた細胞が幹細胞に変換され、この足場の周囲で成長するようプログラムされ、腎臓、肝臓、その他の臓器になります。この臓器は、拒絶反応を抑制する薬剤を必要とせず、患者の身体に移植できます。 3Dプリントともに、細胞内のエンジニアリングも実現するでしょう。遺伝子操作されたウイルスが生まれ、多くのがんや他の難病への現実的な治療法となるでしょう。ウイルスのプログラミングにより、将来的には既知のほとんどの病気に対して迅速かつ効果的な治療が可能になります。 現在のところ、最新の治療のコストは天文学的に高く、今後10年を通してもほぼ対数的に増大し続けると考えられます。やがては保険会社がこのような治療への支払いを拒否するようになり、何億ドルもの純資産を持つごく一部の人々以外は手が届かなくなるでしょう。社会全体として、このような進歩を止めて後退させてしまうか、または医療の一部の要素をかつて1960年代に行われた月面着陸計画（費用があまりに巨額なため、政府のみが支払えるもの）のようにみなすか、選択を迫られるでしょう。
学生ロケットチームOronos Polytechnique、PCB設計で高い目標へとリフトオフ OnTrack Newsletters 学生ロケットチームOronos Polytechnique、PCB設計で高い目標へとリフトオフ このインタビューでは、モントリオール理工科大学の学生であり、Oronosのアビオニクスチームでリーダーを務めるNathanael Beaudoin-Dion氏にお話を伺いました。毎年6月、Oronosは世界最大のロケット工学の大会である「スペースポートアメリカカップ」に参加しています。この大会は、ニューメキシコにある世界唯一の商業用宇宙港で開催されています。活気あるアビオニクスチームの動画やロケットの写真も、併せてご覧ください。 Judy Warner: モントリオール理工科大学と、ロケットチームが結成されたきっかけについて教えてください。 Nathanael Beaudoin-Dion: モントリオール理工科大学はカナダの工業大学で、電気工学から宇宙工学に至るまで12の課程があります。Oronos Polytechniqueは2010年に、大学時代に新たな頂点に達したいと考えた3人の若いロケット愛好家によって結成されました。ロケットに対するこの情熱が設計チーム結成の原動力となり、第8回インターナショナルロケット工学競技会（International Rocket Engineering Competition）への参加を決めました。 Warner: チームには何人の学生が所属していますか? またメンバーの皆さんは何年生ですか? Beaudoin-Dion: Oronos Polytechniqueには、新入生から修士課程の学生まで、60人が所属しています。強力な学生ネットワークを作るため、さまざまな世代のメンバーとも連絡を取り合っています。また、毎年アドバイスをくださる専門家の方々ともつながりがあります。 ロケット打ち上げの準備が整ったOronos Warner