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OnTrack Newsletter January 2019 OnTrack Newsletters OnTrack Newsletter January 2019 OnTrack ニュースレター 2019年1月第2巻9号 “AT YOUR SERVICE” PCB設計サービスプロバイダーからの見解 企業や設計チームは、さまざまな理由から自社の製品開発をサポートするため、専門的なPCB設計サービスプロバイダーを探し求めています。この記事では、設計サービスプロバイダーと契約を行うとき、どのような変動、利点、懸念の可能性が存在するかについて、Freedom CADのCEOであるScott Miller氏に話をうかがいました。 全文はこちらから 商業の秘訣: 設計スキルを磨くためのヒント 回路基板レイアウトのための多層PCB設計に関するヒント 多層PCBを初めて設計するのは、多少難しく感じるかもしれません。この記事では、自信を持って設計を成功させるために役立つ、主な基礎知識を紹介します。 全文はこちらから OnTrack ビデオシリーズ 設計のリリース 下流工程の関係者へ設計を正確、完全、かつ一貫した方法でリリースするために何が必要かを、Vince
プロのPCB設計サービスプロバイダー活用のメリット OnTrack Newsletters プロのPCB設計サービスプロバイダー活用のメリット 企業や設計チームは、さまざまな理由から自社の製品開発をサポートするため、専門的なPCB設計サービスプロバイダーを探し求めています。この記事では、設計サービスプロバイダーと契約を行うとき、どのような変動、利点、懸念の可能性が存在するかについて、Freedom CADのCEOであるScott Miller氏に話をうかがいました。 Judy Warner: Scottさん、Freedom CADについて簡単にご説明ください。また、御社が提供するサービスやサポートしているアプリケーションの種類についても教えてください。 Scott Miller: Freedom CAD Servicesは、15年以上もの間、納期と予算を守りながら、お客様に最高のサービスと最高の品質を届けることを使命としてきました。私たちの提供するサービスには、PCB設計、電気的、機械的なエンジニアリングやシグナルインテグリティのエンジニアリング、PCBレイアウト、納期の短いプロトタイプのハードウェアプログラム管理などがあります。 ISO 9001:2015認証とITAR登録に支えられ、私たちのチームは、実質的にあらゆる用途において顧客の特定業界にサービスを提供する態勢が整っています。 Warner: 設計者や設計チームは、通常どのような問題により、設計サービスプロバイダーのサポートを探し求めることになりますか? Miller: お客様は通常、次の3つの理由のいずれかにより、サポートを求めます。 1) 自社内に設計能力がなく、外注して変動型のコストモデルを維持している場合。需要にかかわらず人材やハードウェアおよびソフトウェアの固定間接費がかかる自社設計に対し、外注はサポートが必要な場合のみ費用が発生します。
統合ツールがマルチボードPCBシステム設計を容易にする方法 Thought Leadership 統合ツールがマルチボードPCBシステム設計を容易にする方法 コンピューターを分解したことがあるなら、システム全体が単一のPCBに収まるわけではないことを知っているでしょう。さまざまなアプリケーションで使用される最も複雑なデバイスはマルチボードシステムであり、これらのシステムを設計するには想像力、計画、そして適切な設計ソフトウェアが必要です。 リジッドフレックスPCBは、マルチ回路ボードシステムの別のタイプに過ぎず、ボードの各部分を設計する際の同じ設計コンセプトが、それらを接続するフレックスリボンにも適用されます。すべてのマルチボードシステムがリジッドフレックスシステムである必要はありませんが、設計ソフトウェア内でボード間の接続を設計する必要があります。統合設計環境で最高の設計ツールを使用すれば、どのタイプのマルチボードシステムも簡単に設計できます。 マルチボード設計における機能ブロック マルチボードPCB設計を最初に作成するときは、スキーマティックを構築する前に、システムの30,000フィートビューから始めるのが最善です。マルチボードシステムは、単一のシステムにさまざまな機能を組み込みます。システムのブロック図を作成すると、システム内の異なる機能がどのように機能ブロックに分けられるかがより簡単に見えます。 ブロック図で機能ブロックが分離されているように、マルチ回路基板システムでは異なる機能ブロックを異なる基板に分けることができます。コンピュータの動作を考えると、表示、メモリ、ネットワーク接続、その他必要に応じた機能用の異なるカードがあります。 機能ブロックに基づいて異なる基板に機能を分離することは、各基板の適切なレイヤー数を決定するのにも役立ちます。すべてを一つの基板に組み込む場合、システム全体で最大レイヤー数をデフォルトにする必要があります。代わりに、基板が分離されている場合、異なるブロックでレイヤー数を少なくすることができ、全体の製造コストを下げることができます。システム内の一部の基板では、高レイヤー数の多層基板に HDIデザインが必要になる場合がありますが、他の基板は単純な4層基板で十分に機能します。 パッケージ仕様は、マルチボードシステム設計における各基板のサイズと形状を制限します。パッケージが何らかの方法で曲がる必要がある場合は、複数の基板を接続するためにフレックスリボンを使用する必要があります。それ以外の場合は、銅線を使用した標準的なコネクタとケーブルでシステム内の基板を接続できます。 3D設計ツールは、優れたマルチボードシステムを構築するのに役立ちます 痛みの原因を知る PCB設計ソフトウェアがIC設計など他の領域ではなく、マルチボードPCB設計に実際に焦点を当てている場合、マルチ回路基板および リジッドフレックスシステムを設計するための専門ツールが含まれます。これには、単一のプロジェクト内でシステム内の各ボードの構造をカスタマイズできるスタックアップマネージャーが必要です。ほとんどの設計プログラムでは、複数の設計プロジェクト間で前後に切り替える必要があり、これにより重要なシミュレーション、分析、および検証機能が実質的に無用になります。 マルチボードシステムの設計をリジッドフレックスボードとして作成することにした場合、レイヤースタックアップマネージャーは、フレックスリボンをPCBの別のセクションとして、固体銅層またはクロスハッチ銅として、電力、グラウンド、および信号を簡単にリンクできるようにする必要があります。これはすべて、単一のプロジェクトおよび単一のプログラム内で行われる必要があります。これにより、設計機能が視覚化、分析、およびルールチェックツールと直接統合されることを保証します。 デザインの検証は、要求に応じて設計ルールに対するチェック以上のものです。複数の回路基板やリジッドフレックスシステムを扱う場合、潜在的な信号問題を診断するための統合シミュレーションと、フォームファクターを検証するための3Dビジュアライゼーション機能が必要です。他のPCB設計プラットフォームでは、これらの機能をアドオンとして購入する必要があり、これらのアドオンは単一のプログラムに直接統合されません。依然として設計モジュール間を移動する必要があり、これは生産性を低下させ、データエラーの大きなリスクを生み出します。 最高のマルチボード設計ツール マルチボードおよびリジッドフレックスシステムを扱うには、ボードが単一のシステムにどのように同期するかのアイデアを得ることができる3D設計およびビジュアライゼーションツールが必要です。機械設計チームと電気設計チームは、各エリアの設計プログラムが統合されていなかったために、互いに孤立していました。 MCADとECADの機能を単一のプログラムで統合するソフトウェアを使用すると、各領域の設計者が協力して、デバイス全体に最適なボードサイズ、配置、および機能性を決定でき、全体的な設計プロセスを合理化できます。 本格的なMCAD/ECADコラボレーションにより、PCBデザイナーは機械設計者やDFMエンジニアと協力して、3Dモデル内で基板を分析することができます。これにより、製造ラインを離れる前に衝突を防ぐことが容易になります。設計チーム間でファイルが受け渡される反復的な設計プロセスを使用する必要はありません。代わりに、製品の3Dモデルを.STEPファイルで組織全体で共有でき、設計プロセスに関わる全員が単一のプログラムで設計作業を行うことができます。 階層的な回路図で設計をサポートするPCB設計ソフトウェアを使用すると、マルチボード設計がはるかに簡単になります。デバイスを異なる機能ブロックに分割する際、各ブロックに独自の回路図を割り当て、ブロック図のように簡単に回路図をリンクさせることができます。それから、設計の各部分を異なるPCB上でキャプチャし、マルチボードシステム設計が実際に形になるのを見ることができます。 フレックスリボンを使用して基板間の接続を構築することにした場合、リジッド領域とフレックス領域を定義し、フレックスリボンがリジッドセクションの内部層にどのようにリンクするかを定義できるレイヤースタックアップマネージャーが必要です。CADツールは、2Dおよび3Dでボードの配置を簡単に視覚化できるようにする必要があり、ルーティングツールはフレックスリボンを介して相互接続を非常に簡単にルーティングできるようにする必要があります。
電源供給システムの設計 電源供給システムの設計 集積回路テクノロジーが、単体ICへの数十億のトランジスタの搭載を可能にした結果、1つのチップに非常にパワフルなシステムを構築できるようになりました。それにより、テレビゲームや携帯電話、その他の多くの製品に、かつてはコンピュータールーム全体を占めたスーパーコンピューターに匹敵する機能を組み込めるようになりました。このICテクノロジーは、かつでは非常に高価なマイクロ波回路でのみ可能だったマルチギガヘルツの範囲の出力信号の発生を可能にしました。 この特性の多くのメリットと同じように、対処が必要な副作用があります。これらの大規模CIは多くの場合、複数の異なる動作電圧が必要です。大部分は、最大100アンペア程度の電流の流れる1ボルト電圧を大幅に上回る必要はありません。これに加え、後に説明しますが、PCBのパワーレールから要求される周波数はギガヘルツにまで拡張できます。これら全ての要件を満たすことは、手間のかかる作業です。設計者は、従来のレベルのテクノロジーで必要とされるより多くの工学的スキルを使用しなければなりません。残念ながら、現在のアプリケーションの注意書きに記載の手法の多くは、必要なアドバイスが含まれていません。本章は、技術者が電源供給システム（PDS）を滞りなく設計する方法について、これらの新しい技術の必要性に対応できるよう、これらの新たな課題を明らかにし、助言を提供することを目的としています。 理想の電源 図5.1には理想的な電源が描かれています。理想の電源は、よく「電圧ソース」と呼ばれます。電源ソースの出力インピーダンスがゼロです。これは、電源供給負荷（電流）がどれほど多く必要でも出力電圧を一定にするためです。さらに、交流電流の周波数の値にかかわらず出力電圧を一定にするためです。残念ながら、実際の電源はこのようにはなりません。実際の電源は全て、DCでも、論理回路が必要とする周波数でも、出力インピーダンスはゼロではありません。 図5.1 理想的な電源 実際の電源 図5.2には実際の電源が描かれています。ご覧のとおり、電源ソースと直列に出力インピーダンスが接続されています。この図は、電源供給システムの設計に関する問題を示しています。 この出力インピーダンスは周波数によって異なります。ある周波数では高インピーダンス、また別の周波数では低インピーダンスになります。出力インピーダンスが大きい場合、必要な電流量の変動は出力電圧の変動につながります。これがリップルという現象です。設計者の目標は、リップルを最小化するために、負荷が電流を必要とする状況で、全ての周波数で低出力インピーダンスとなるPDSを設計することです。 図5.2 理想的な電源 リップルとは リップルは、電源のVddレール上の電圧変動です。リップルは、電源の出力インピーダンス全体での電圧降下を生み、負荷で検知される供給電圧の減少を引き起こす負荷電流の変動の結果、発生します。過剰なリップルは、電源回路の正常動作には低すぎる電源のVdd電圧を発生させ、システムの故障の原因となる可能性があります。過剰なリップルは、ほとんどのシステムでEMIの主要ソースとして表示されてきました。この主要ソースは、あるPCB内のVddプレーンに経路のある信号線に直接接続されています（このことが、「重要な」信号線はGNDプレーンにのみ配線されなければならないという経験則の1つを生み出しました）。過剰なリップルは、しばしば高速リンク内のSERDES（シリアライザ/デシリアライザ）に電力を供給するためリニア電源のみを使用することの理由になっています。 リップルの原因については混乱が多々あります。リップルは、バイパスまたはデカップリングされるべき未確認のソースから生じるある種の「ノイズ」ではありません。電圧レール上にリップルが生じれば、リップルに含まれる周波数におけるPDSのインピーダンスが高すぎるという赤信号です。修正方法は、PDSを再設計して該当周波数でのインピーダンスを削減することです。PDSのインピーダンスを削減する通常の方法は、「デカップリング」コンデンサーを追加することです。注意すべき点は、このコンデンサーが何も切り離さないということです。このコンデンサーは、スイッチングイベントをサポートするため、電荷のローカルソースを提供します。スイッチングイベントをサポートするために使用する電荷を蓄積しているので、「クーロンバケット」という呼び方のほうが適切でしょう。このことが理解できれば、PDSのためにどれだけのクーロン量がどの周波数で必要かを見極めることはエンジニアリングの仕事になります。 Vddのリップル コンデンサーまたはクローンバケット 全ての設計者は、論理コンポーネントおよびアナログコンポーネントの周辺にコンデンサーを配置することを要求されてきました。多くの場合、配置するべき数と位置に関する指示は、アプリケーションの「使用上の注意」に記載されてきました。仮に注意書きがあったとしても、適切な種類および数のコンデンサーの使用や位置の適切な定義が確保できていることは、ほとんどありませんでした。 コンデンサーが、基板上のスイッチングイベントへの電荷の供給能力を限定するための2つの寄生を保持していることを認識することは重要です。図 5.3は理想的なコンデンサー、実際のコンデンサー、実際のコンデンサーのインピーダンス対周波数を示す図です。実際のコンデンサーは、それと直列にインダクタンス（Lp）と抵抗（RP）を保持することに注意してください。これらは、コンデンサーのサイズがどれほど小さくなっても避けられない不要の寄生の一部です。 図
差動信号が重要である理由 Podcasts 差動信号が重要である理由 はじめに 差動信号は、ロジック部品および製品を接続するための主要な手段となり、PCIなどの並列バスアーキテクチャーの多くを置き換えました。差動信号がデジタル世界を支配している主な理由として、並列シングルエンド信号プロトコルよりはるかに高いデータ帯域幅を1対の配線で実現できることが挙げられます。ご存知の通り、インターネットは差動信号なくして成立しません。 差動信号の例を以下に示します。 • USB • PCI Express • HDMI • Infiniband • SATA • 有線イーサネット • Hypertransport® • LVDS
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 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