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PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法 Thought Leadership PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法 デートで出掛けたディナーのパスタに髪の毛が入っていたということほど、悲惨な話があるでしょうか。口に入れた後に気付いたとすればなおのことでしょう。この悲劇を避ける方法は2つあります。ひとつは、料理を口に運ぶ前に髪の毛が入っていないかどうかを徹底的に確かめること。もうひとつは、料理に髪の毛が入ってしまう危険を完全になくすこと（ただし、この場合は別のレストランを選ぶ必要があるかもしれません）。PCBの設計では、2～3本の髪の毛がそれほど大きな損害をもたらすことはありませんが、QCではどんなに微細な短絡も大問題になります。短絡を見つけるのには時間がかかるうえ、その修正コストはPCB実装よりも高額になることがあります。レストランの食事に髪の毛が入っていては困るように、設計でも短絡が発生するのを回避しなければなりません。とはいえ、人間はミスをするものです。短絡を完全には回避できないかもしれませんが、成功事例を実践して危険を最小限にすることは可能なはずです。 微細な短絡とは何か？どのように発生するのか？ 短絡は、関連していない2つの信号間の想定外の接続によって発生します。たとえば、正の電圧がGND信号と接続した場合には短絡と見なされます。信号が太い銅箔で接続されていれば、短絡は肉眼でも確認できます。これは、PCBが機械を使わずに手作業で作成されている場合にあてはまります。 微細な短絡が懸念事項となるのは、PCBが機械で製造される場合です。これは、髪の毛のように細い銅箔が2つの信号を接続してしまうことがあるからです。こうした短絡は、実装されたPCBで一連のQCテストが実施されるまで、肉眼では特定できません。残念ながら、製造工程のこうした遅い段階で短絡が見つかると、それまでに費やした時間や原材料のコストは確実に無駄になります。 短絡がどのように発生するのかを理解するためには、 PCB製造の一般的なプロセス を把握しておく必要があります。通常、PCBは非導電性の基板にラミネート加工された銅箔を使って製造されます。電気回路をPCBに実装するための一般的な方法は写真製版法で、電気回路の画像を含むシルクスクリーンのラミネートが、フォトレジスト コーティングされたPCB上に配置されます。 次に、PCBに紫外線（UV）が照射され、シルクスクリーンで覆われていない領域がアンモニアベースの溶液でエッチング除去されます。大半の場合、これらの処理は自動で行われ、問題がある場合は信号のパッドやトラックに接続する細い銅箔が残ることになります。製造後に徹底したテストを実施しない場合は、製造のその後の段階で不要な問題が発生する危険があります。 大半の場合、 微細な短絡を早い段階で特定することはほぼ不可能 微細な短絡は適切な電気テストによって削減可能 PCB設計を独学で勉強した私にとって、製造後の電気テストを実施しなかったために大変な痛手を負ったことは最大の教訓の1つです。「製造後に必要な電気チェックは PCBの製造業者 がすべて請け負ってくれる」と考えるのは安全ではありません。PCBを実装工程に送る前に、必ず フライングプローブテスト などの電気テストを実施して合格するようにしてください。フライングプローブテストでは、高精度のプローブが高速で移動しながらコンポーネントのパッドやビアをチェックし、製造での欠陥や設計のミスが特定されます。 なお、電気テストは100%確実なものではなく、微細な短絡を特定できない場合もあります。とはいえ、欠陥のあるPCBを実装工程に送ってしまう危険は大幅に低減できます。また、電気テストを通過したPCBに欠陥が見つかった場合に製造業者が確実に補償してくれれば、危険をさらに減らすことができます。上記の場合、評判のよい製造業者であれば、欠陥のあるPCBを交換し、実装されたコンポーネントの費用を弁償してくれます。 PCBは実装工程に送る前に必ずテストすること 微細な短絡の発生を削減するために設計者が実践できること
高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離 高電圧PCB設計: 沿面距離と空間距離 高電圧の応用には、通常のPCBよりも厳しい設計パラメータが必要になる 大学生のとき、私は電気化学エッチングの実験を行いました。その経験をずっと履歴書に記載していたのは、高電圧源や危険な化学品を使った実験について、面接官が必ず話を聞きたがったからです。ところが、危険な職場環境をまったく意に介さない人間が求められる仕事には就きたくないと後になって気付きました。 それがきっかけで、私は高電圧設計について学び始めました。高電圧の製品に要求される基準には圧倒されましたが、それと同時に安心もしました。私たちが作成した高電圧製品を大学院生たちが使うのを止めることはできないものの、基板がきちんと保護されているのが分かれば心配する必要はありません。 安全の確保にあたって、特定のスペースルールが必要になる場合とは 高電圧PCB設計に必要となる厳しいスペースルールは、すべてのPCB設計に適用されるわけではありません。一般的には、製品の通常の作動電圧が30VACまたは60VDC以上になると、基板設計に スペースルールを適用すべきでしょう。特に、高電圧で密集した設計の場合は慎重になる必要があります。密集したデザインではスペースが極めて困難になり、保護の観点からさらに重要になるからです。 高電圧設計ではスペースがさらに重要になります。基板全体の電圧によって、PCBの導電性要素間でアーク放電が発生しやすくなるからです。発生したアーク放電は、製品にもユーザーにも極めて大きな危険をもたらします。こうした危険を軽減するために、空間距離と沿面距離という主に2つのスペース測定の基準があります。 空間距離とは 空間距離とは、2つの導体間の空間の最短距離を指します。私はこの定義をあき高（つまり、自分の頭が何かにぶつかる前に、どのくらいの空間があるか）として覚えています。 PCBの空間距離が短すぎると、基板上で隣接する導電性要素間で過電圧によるアーク放電が発生する可能性があります。 クリアランスルールは、PCB材料、電圧、環境条件によって異なってきます。環境による影響はかなり大きくなります。最も一般的には、湿度によって空間の破壊電圧が変化し、アーク放電が発生する可能性に影響が及びます。ここでは、粉塵についても考慮しなければなりません。PCBの表面に集まった微粒子は時間とともにトラックを形成し、導体間の距離を縮めてしまいます。 アーク放電は製品に損傷をもたらし、ユーザーに被害を及ぼします。 基板でのスペースが重要な設計パラメータになるのはこれが理由です。 PCBでの沿面距離とは 空間距離と同様に、 沿面距離もPCB上の導体間の距離を指しますが、こちらは空間の距離ではなく、絶縁材の表面に沿った最短距離になります。沿面距離の要件は環境や基板の材料によっても異なり、空間距離と同じく、基板上に蓄積した水分や微粒子によって沿面距離が短くなる場合があります。 密集した設計では、沿面距離の要件を満たすことが困難になり得ます。トラックを移動させることが第一の選択になることは稀であり、表面の距離を延ばすには他にいくつかの方法があります。それは、トラック間にスロットを追加するか、または絶縁物に垂直の障壁を実装することです。いずれの方法でもトレースのレイアウトを変更することなく、沿面距離を大幅に延ばすことができます。 材料の比較トラッキング指数（CTI） 空間距離と沿面距離の要件のうちで作動電圧の次に重要な要素は、PCB材料の特性に関するものです。材料の電気絶縁性は、比較トラッキング指数（CTI）で示されます。CTIは電圧で表示され、材料の表面がいつ破壊するかを測定する標準テストによって決定されます。 破壊値に基づいて、材料は「0」から「5」までの6つのレベルに分類されます。製品に対する絶縁物の規定レベルは、このCTIの分類に基づきます。最も低いレベルは「5」で、電圧は100V未満となります。破壊値が600V以上のレベル「0」に分類される材料が最も頑丈で、多くの場合にコストも高額になります。
モノのインターネットのハードウェア プラットフォームのフレキシブル化 Thought Leadership モノのインターネットのハードウェア プラットフォームのフレキシブル化 子供の頃に熱中したり執着したりしたものを覚えていますか? 私が若かった頃、誰もがポケモンと、子供でも触れる電子機器に熱中していました。これら2つの熱狂はやがて、 たまごっち という最終的な流行に結びつきました。これは大ヒットして、携帯電子機器の人気と、小さく非現実的な動物に対しての子供たちの愛情を生み出しました。最近では、PCBにおける2つの熱狂、すわなちフレキシブル電子回路とモノのインターネット（IoT）が結合しました。自作用開発基板のようなハードウェア プラットフォームはIoTの誕生に役立ち、フレキシブル ハイブリッドエレクトロニクス（FHE）はそのIoTを成熟へ導くために役立っています。技術者は、Arduinoのような大きなブランドと互換性のあるフレキシブルな基板や周辺機器の設計を開始しています。IoT開発者が必要とするコンポーネントを搭載した、使いやすい基板を設計することで、この動向に加わることができます。 フレキシブルなハードウェア プラットフォームの利点 完全フレキシブルおよびリジッドフレキシブルPCBは長年にわたり、 航空宇宙 などハイテク産業に限って使用され、ローバーが他の惑星まで飛行するために役立っていました。しかし今日では、これらのPCBの利点は地球に戻って、開発基板やその周辺機器に利用されるようになっています。フレキシブルなハイブリッド電子機器では、従来型電子機器の低コストや性能と、フレキシブル回路の容積やフォームファクターの利点を組み合わせて活用しています。 一部の組織は 将来の完全にフレキシブルな電子回路 を構想していますが、現在のところはハイブリッドで妥協する必要があります。フレキシブル ハイブリッド電子回路は、フレキシブルな基板に従来型のコンポーネントを実装するものです。従来型の電子機器コンポーネントは長年にわたり、コスト、速度、消費電力の点で高度に最適化が行われてきました。 フレキシブルなアナログ も多少存在しますが、比較すると性能的には見劣りするものです。また、十分に使用され実績のあるチップを使い慣れていることから、デバイスで簡単に使用できます。 しかし、リジッドPCBには多くの欠点があります。主な問題点は曲がらずに折れる傾向があること、サイズ、および動的な圧力を処理できないことです。フレキシブル基板にコンポーネントを取り付けることで、これらすべての問題を解決できます。言うまでもなくFHEは曲がるように作られており、一部のFHEは 200,000回もの曲げ耐性 があります。信頼性に加えて、折り曲げ可能な基板はフォームファクターも小さく、通常のPCBでは収まらないような領域にも折りたたんで収納可能です。
設計の複雑化と小型化の影響 設計の複雑化と小型化の影響 その登場以来、電子機器は、小型化、高速化、効率化されてきました。しかし、小さくなった基板に、配置するコンポーネント、ピン、接続を増やそうとすると、いくつかの問題が発生します。これらの課題には、熱、BGAブレークアウト、サイズ自体が含まれます。あの小さく奇妙な形をした筐体に、基板をどのように収めるか、ということです。 簡単な統計をいくつか挙げます: 過去10年間で平方インチ当たりのピン数が3倍になった一方で、基板面積は比較的一定に維持されました。 15年間で、部品1個当たりの平均ピン数が4 ～ 5分の1に減った一方で、平均部品点数が4倍になりました。 設計のピン数は3倍になり、ピン間の接続数は倍増しました。 これらの増加のペースが近いうちに落ちるとは考えにくく、設計時にこれらの問題に対処する方法を理解することが重要です。ここでは、これらの問題の一部である、多ピンのBGA PCBやHDI PCBの配線に注目しましょう。 BGAブレークアウト 多くの場合、手動でのBGAのプランニングと配線には、数日を要することがあります。また、プランが非効率的であると、必要以上に多くのレイヤーを追加している場合があり、コストが増えますが、ご存知のように、予算は少しも増えません。今日、多くのBGAで、ビアキャプチャパッドを対角線上に配置しています。いわゆるドッグボーンファンアウトで、それをご覧になったことがあるでしょう。 ドッグボーンスタイルのファンアウト しかし、ドッグボーンファンアウトが選択できるとは限らない場合を目にする機会がますます増えています。これは、ピンのピッチサイズが小さく、それらのビアを追加する十分なスペースがないためです。これらのBGAの場合、ブレークアウトにはビアインパッド方法が必要です。これは、ビアがパッドに直接接続され、新しいレイヤー上で信号を配線できる場合です。 HDIで密度を高める 設計が小型化を続ける際に注意すべきもう1つの点は、レイヤーを追加せずに、多くなったコンポーネント、トレース、そしてより複雑化した全体を、小さくなったPCBに詰め込む方法です。この問題を解決するには、高密度相互接続（HDI）PCBを使用します。 HDI PCB、提供: flygold circuit
設計ドキュメントの主要なPCB設計要素の捕捉 設計ドキュメントの主要なPCB設計要素の捕捉 設計ドキュメント作成のうち最も重要でありながら、多くの場合に回避される要素の1つは、正式な設計ドキュメントです。設計を完了し、製造、実装、検証ドキュメントを生成しただけで、業務が完了したとみなしてしまうことは珍しくありません。システム仕様、設計の意図、設計プロセス、仕様の追跡可能性を正しく捕捉することは、時間を要し、骨の折れる作業ですが、極めて重要です。設計ドキュメントでは、システムの設計のあらゆる側面を捕捉し、関連するすべての設計情報へ簡単にアクセスできる必要があります。しかし、製造や実装の図面に含まれない設計の詳細をどのように捕捉すればいいのでしょうか? 設計の全ての側面を設計ドキュメントに表現する あらゆる設計において、設計ドキュメントの作成は計画段階で開始し、仕様から始める必要があります。設計ドキュメントの対象である設計が、より大きなシステムのサブシステムである場合、システム全体の仕様を提示してから、システム全体からそのサブシステムまで、システムがどのように分割されるかの仕様を記載する必要があります。設計プロセス全体を通して、設計ドキュメントは生きたドキュメントとなり、設計プロセスにおいて、それぞれの部分の回路が設計され、実装されていきます。 設計の仕様段階は、時間や予算の制約のために多くの場合見逃されたり、回避されたりする部分です。そこで、仕様を正しく開発するため、前もって時間とリソースを割り当てておくことが必要です。起動環境での作業に従事したことがあるなら、おそらくは仕様が不明瞭、またはまったく存在しない設計プロジェクトに直面したことがあり、この手法が危険であることを理解しているでしょう。仕様が存在しない、または固定されていない場合、その仕様に合わせて設計を行おうとすると、終わりのない開発のやり直しにはまり込むことになります。仕様の目的は、何を達成すべきかを明確にし、設計が完成したことを検証できるようにすることです。「もっと良いものを作れるはずだ」という考えから、プロジェクトが予算を超過し、スケジュールが遅延することは珍しくありません。このような結果が起きるのは、最初の時点で仕様を明確に決定しておかないことが主な原因です。 設計ドキュメントにおいて対象としているデバイスの仕様は、より大きなシステムのサブシステムであることも珍しくありません。システム全体の仕様が提示され、その後で設計対象のデバイスに適用される部分のシステムの仕様が、論理的で整った形式で示されます。 仕様には次の内容を含める必要があります（これで全部とは限りません）。 機能（サブシステムがどのような動作を目的としているか） 動作環境（温度、湿度など） 他のサブシステムとのインターフェイス パワーバジェット 利用可能な電源電圧 機械的な制約: サイズ、重量、形状 衝撃や振動に関する要件 熱（利用できる冷却、放射熱の放出制約など） EMIの放射、伝導、および感受性 信頼性 仕様ステージ以後にも、設計フェーズが完了したことを判定するため、関連する設計情報を捕捉する必要のある他の分野が存在します。正式な設計ドキュメントの作成には時間を要しますが、回路図、製造図、実装図の範囲を超えて、設計の全ての側面を捕捉するためには不可欠なことです。 正式な設計ドキュメントに、その他に何を含めるべきかについては、無料のホワイトペーパー 「設計ドキュメントによる設計の捕捉」
USB Type-C: 電力およびデータ転送の最先端 USB Type-C: 電力およびデータ転送の最先端 PCB設計に関していえば、基板における不均衡な電力は、設計者の自信を打ち砕く可能性があります。電力の不均衡は、設計プロセスの形勢を瞬時に変える可能性があり、相当量の修正作業を行うことなく状況を打開することは至難の業です。それでは、電圧レベルを適正に保つためにはどうすればよいでしょうか。また、電力消費を抑えながらデータ転送量を増やすことはできるのでしょうか。まず第一に、単体デバイスのさまざまな電圧要件に対応する、「発熱」せずに複数機能を処理できる手段が必要です。これは実現するようには思えませんが、接続性に関するより実用的な方法によって可能になります。 データ送信の標準的な方法 より高度なシステムでは、情報の伝送方法として、多くの場合ワイヤレス技術によるデータ転送が好まれます。携帯端末でも状況は同じです。効率的なワイヤレス技術は、多くの携帯電話ユーザーがよく知っているように、端末の電力供給をあっという間に消耗させます。 また、携帯電話のようなワイヤレス技術は、付属電源が必要です。例えば、今日携帯電話を購入したとすると、多くの場合、電源はUSBケーブルとアダプターの形で付属しています。従来型のUSBケーブルは、USB Type-AとUSB Type-Bの2種類があります。この2種類は、お互いを区別できる明らかに異なる特徴があります。次のような違いです。 USB Type-A 先端が平らな長方形です。 Type-Aのホストと周辺機器は、同じバージョンのUSBでなくても互いに連携動作できます。 異なるバージョン間でのポートの互換性は、安定性と長い寿命の実現にも役立っています。 USB Type-B 周辺機器に見られる一般的なコネクタです。 micro-B USBは、今日のスマートフォン、カメラ、タブレットなどのモバイルテクノロジーで利用される標準のコネクタです。 Type-Aのバリエーションとは異なり、USB Type-Bのバリエーションは形状と外観が大きく異なります。 端末ごとに異なる USB