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リジッドフレキシブル基板設計の構造整合性と課題 リジッドフレキシブル基板設計の構造整合性と課題 リジッドフレキシブルの出現とともに、これまでよりも小さいフォームファクターに、より多くの部品を配置できるようになりました。さらに、リジッドフレキシブル設計は、重量や信頼性においてもリジッド設計より有利です。リジッドフレキシブルの利点に限定してブログを書くこともできますが、それは別の機会に回します。リジッドフレキシブルは非常に優れていますが、取り扱いの際に知っておくべき事項がいくつかあります。この記事で重点を置きたいのは、リジッドフレキシブル設計の際の配線に関する課題です。その他の課題についてのご確認を希望される場合は、そのトピックに関する Altiumのホワイトペーパー をご覧ください。 フレキシブル領域の配線 PCB設計でフレキシブル領域の配線を行う場合、留意すべき事項がいくつかあります。言うまでもなく、フレキシブル設計とリジッド設計の主な違いは、フレキシブルな部分が動くということです。 例えば、フレキシブル基板向けのIPC 2223C設計基準による定義では、フレキシブル回路には曲げに関する要件があり、主に3つのカテゴリーに分類されます。それぞれのカテゴリーに独自の要件と制限があります。 - 導入するフレキシブル - ダイナミックフレキシブル - 1回のみの折り曲げ 各カテゴリーには最低限のフレキシブルおよびフレキシブルリジッドの曲げの仕様があり、該当箇所の銅箔変形因子、完成したフレキシブルの厚みの倍数、レイヤー数に応じて算出されます。 つまり、電気的な考慮事項だけでなく、物理的な考慮事項も理解しておく必要があります。銅箔の変形は、割れや裂けの問題に関連し、設計の可能/不可能についての制約が増えるので、配慮が必要です。 例えば、ビアを使用できるとしても、導体に圧力がかかるため、曲げ領域にビアを配置することは好まれません。また、同じ理由から、ビアにティアドロップを適用する必要が生じます。 幅を変える場合、急に異なる幅にするのではなく、徐々に変える必要があります。トラックがパッドに接続するところでは、特にフレキシブル回路の終端などで一直線に並んでいる場合（下図参照）、長い間に銅箔が疲労する弱い部分が形成されます。補強材を使用するか折り曲げを1回のみにしない限り、パッドからトレースを徐々に細くすることをお勧めします。 耐久性を高めるため、トレースを徐々に細くする フレキシブル回路を扱う場合、曲げ領域への応力緩和を考慮する必要があります。圧力のかかる点の応力を緩和するには、トレースを均等に配置することをお勧めします。また、フレキシブル設計の外側部分周辺に幅の広い導体を追加することで、設計の強度を向上し、断裂を回避できます。 隣接レイヤーの銅箔トレース（上）と交互に配置された隣接レイヤーのトレース（下）
汎用コントローラーを2つのPCBに分割した方がよい理由 Thought Leadership 汎用コントローラーを2つのPCBに分割した方がよい理由 私は常に、成功のためには他者の成功を真似し、失敗を避ける必要があると考えてきました。私が職務を始めた頃は、Raspberry Piのような単一基板のコンピューターは存在せず、Arduinoを産業アプリケーション向けに真剣に考える人はいませんでした。私が自分で設計した汎用コントローラーのメンテナンスを初めて行うことになったときの苦労を想像してみてください。それは、火災警報のコントローラーで、50本を超えるワイヤーが手作業でネジ止めされていました。私は、障害のある8ピンのEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）を交換する必要がありました。顧客は不満を持っており、私はこの作業を迅速に、間違いなく行うよう圧力をかけられていました。このときから、私は汎用コントローラーの設計を複数の物理モジュールに分割するようになりました。同様に今日、Raspberry Pi は産業用アプリケーションに使用されています。これはコストだけではなく、そのモジュール化設計のためでもあります。 汎用コントローラーとは 電子機器産業におけるコンポーネントと労働力のコストが増大し続けていることから、 デザインのフットプリントを最小限にする のは論理的です。しかし、汎用コントローラーの設計においては、長期的にこれが最良の選択肢ではないこともあります。 スマートフォンやテレビのような民生用電子機器とは異なり、汎用コントローラーは一般的な仕様で設計され、多くの場合に小規模で使用されます。ファームウェアが異なれば、同じコントローラーでも異なる機能を果たすようになります。例えば、同じコントローラーを支払い機のコントローラー、セキュリティ管理コントローラー、または単純なデータ監視ステーションとして使用できます。 一般的な汎用コントローラーは、次の部分で構成されます。 マイクロコントローラー（MCU） SRAM、 FRAM 、フラッシュ、EEPROMなどのメモリチップ 周辺機器インターフェイス（イーサネット、USB、 RS485
PCB回路製品: 修理できるように設計するべきか？ Thought Leadership PCB回路製品: 修理できるように設計するべきか？ 自分の手掛けたものを誰かに修理してもらわなければならないとき、私は技術者としての落ち度を感じてしまいます。それが電子機器であれ、たまにしか担当しない木工品であれ、まずは自分で何とかしてみるまでは助けを求めたくありません。ただし、配管となると話は別です。その場合は すぐさま 助けを呼ぶことになります。 自分が手掛けた製品は自分で修理したい―そんな衝動が働きますが、問題なのは多くの企業がそれを求めていないことです。ケースを空けるために専用のドライバーが必要になったために、ラベルを破いて正式に保証を無効にしたことは数え切れないほどです。しかも、バッテリー交換のためだけにです。ここで専門的なアドバイスを1つお届けしましょう。どうしてもバッテリーを交換したいのに、細長いネジ穴に対してドライバーが小さすぎるとします。この場合は、プラスドライバーと輪ゴムでどうにか対処できることがあります。まず、輪ゴムを細長いネジ穴の上に置きます。不安定な細長いネジ穴にドライバーがしっかりと、はまるまで押し込み、ネジを外します。 とはいえ、開けたケースが混乱と後悔の詰まったパンドラの箱に化けてしまったこともあります。LCDモニターは、VCRの焼け焦げたコンデンサーを交換するのとは大違いなのです。 自分が手掛けた機器の修理に対してどんな考えを持っていても、製品の設計を開始する前には、消費者による修理について必ず考慮すべきでしょう。消費者が自分で製品を修理できるようにするのか？消費者が自由に修理業者を選べるようにするのか？それとも、企業が提供するサービスや特別に訓練された技術者だけを利用できるようにするのか？では、いろいろな選択肢を比較しながら、関連する法的要件についても見ていきましょう。 社内での対応 多くの製造業者は、消費者が自分で製品を修理できないようにしたいと考えています。悩ましいところですが、多くの場合にこれにはもっともな理由があります。高電圧、傷つきやすい部品、特許で保護されたコンポーネントは、適切な予防措置がない状態で消費者に機器の分解を許可していない、という明確な理由です。 社内ですべての修理を行う場合は、送られてきた修理品や現地での修理に対応する十分に訓練されたスタッフが必要です。一方で、製品が「消耗品」であれば、修理するよりも新しいものに取り換えたほうが安くつく場合もあるでしょう。この場合は故障率を把握して、保証期間中に問題が発生したすべての製品を交換する体制を整備しなければなりません。 指定した技術者に修理を委託することもできるでしょう。 修理の選択肢を提供する 消費者が製品を修理できるものにしたほうが容易な場合もあります。コンポーネントの複雑さによっては、交換部品の販売が新しい収益源になることもあります。私が勤めていた会社では、元のハードウェアの交換と同じくらい独自のバッテリーの交換に対応していました。これは、プリンター用の新しいインクの購入に似ています。 いずれにしても説明書は作成する必要があるため、特別に訓練された修理業者を説明書に記載して提供することもできます。ここでは、適切なガイダンスと免責事項も含めておきます。たとえば、エンジン、回転翼、高電圧など、製品の中には安全に扱わないと危険なものがあるからです。警告ラベルが必要なコンポーネントが製品に含まれる場合は、修理ガイドに説明を明記しておきます。 オープンな修理については、諸経費を大幅に節約し、長期的にサービスを提供することができます。これは技術者にとってもありがたい話です。 法的要件 どの方法を採用するかにかかわらず、法的な要件についても考慮する必要があります。「消費者が合法的に所有している製品を自分で修理することは許可されるべき」という指針に基づいて、米国の複数の州で 「修理支持」の法律 の制定が進められてます。また、海外では修理に対応できないという議論もあります。これは特に、農業や自動車の業界にずっと依存してきた地域経済にとっての強力な動機でしょう。 一部の大手企業は、この法案に積極的に反対しています。多くの場合、これは特許を取得できる設計に関して懸念があるからです。また、顧客にメンテナンスサービスを提供するための独占請負契約からの収益を守りたいと考えている企業も数多く存在します。 中小企業では、請負契約や売上の競争が激しくなるでしょう。この法案の支持者は、独占的なサービスでなく顧客サービスによって成り立つ市場を期待しています。修理する権利を持つ消費者は修理したハードウェアを売買しやすくなるものの、それによって企業の全体的な売上が減少する可能性があります。
PCBの複雑化に対応するための設計手法 Thought Leadership PCBの複雑化に対応するための設計手法 用途はわかりませんがとにかく小さい回路です 世の中の動きが自分より少々速いと感じたことはありませんか? 新語、アプリ、ヘアスタイルなど、さまざまなトレンドがあります。時代遅れのファッションセンスに加えて、複雑なPCB設計でも後れをとっているかもしれません。IoT（Internet of Things）とウェアラブル電子機器の出現のはざまで、PCB設計要件はますます高度になっています。この流れに遅れないためには、PCBの小型化、高速化、柔軟化を可能にする設計技術に常に注意を払う必要があります。また、設計動向への迅速な対応に加え、場合によっては必要な技術をどのように実装するかについてのトレーニングも必要になります。 小型化 昨今の衣料品の興味深いトレンドのひとつは、何もかもが小さくなっているということです。シャツは体にぴったりしたサイズになり、短パンやスカートの丈は短くなっています。コネクテッドデバイスがますます小さくなるにつれて、PCBもこのトレンドに乗っているようです。昨日はマイコンを腕時計の中に収納しなければなりませんでしたが、今日は画びょうの中に収納することになりそうです。腕時計に収納する技術はあっても、画びょうとなれば話は別です。PCBのサイズが小さくなるにつれ、効率的なファンアウトやブラインド/ベリードビアなどの設計の小型化ソリューションについて最新の情報が必要になります。 集積回路（IC）製造業者は、この要求により細かいピッチのパッケージで対応していますが、これにより世界は一層複雑化します。BGA（ball grid array）やQFP（quad flat package）は小型化し、より 効率的なファンアウト戦略が必要になるかもしれません。 高密度相互接続（HDI）ボードは、あらゆる部品を可能な限り密接して詰め込み、基板面積を節約するものです。実際に全てをそこに詰め込むためには、 ブラインドビアやベリードビアを使用して基板内の接続を効率的に行う必要があります。 小型化の危険な側面として、熱の管理に注意してください。 レイアウトを縮小した場合、以前は動作していた設計が動作しなくなることがあります。自分の設計が、より小さいフットプリントで放熱要件を満たすことができるかどうか、必ず確認してください。 高速化および小型化で過熱のことを忘れてはなりません 高速化 設計トレンドには、芝生の管理人と芝生に立ち入るティーンエージャーのように、もめごとが生じることが少なからずあります。より高速な回路を要求されるので、設計者は基板でより高出力のICを使用することになります。通常ICは、出力が高くなると、よりサイズが大きくなり、より熱を持ちます。
超低電力の不揮発性メモリの誕生を予測させるスピン波技術の飛躍的な前進 Thought Leadership 超低電力の不揮発性メモリの誕生を予測させるスピン波技術の飛躍的な前進 私の大学では、量子力学が必修須科目ではありませんでした。何かを真に「理解する」ことは不可能で、わかるのはその確率だけだ、というのが前提だったのです。私には少しばかげた考えのように思えました。その後、私は上級電磁気学と信号処理を学びましたが、意味のわからない膨大な量の数字に対処しなければなりませんでした。一部の学生がこの講義を選択してくれたのは本当にうれしいことです。現在の量子技術を飛躍的に進展させてくれているのは、彼らにほかならないのですから。最近、ある研究チームがスピントロニクス（スピン波エレクトロニクス）での発見を詳述した論文を発表しました。この発見によって、メモリなどの実際のスピントロニクス デバイスのための道が切り開かれるかもしれません。こうした記憶装置には、不揮発性や超低電力駆動といったいくつかの強みが備わることになるでしょう。これらの利点は、モノのインターネット（IoT）などの組み込みアプリケーションにとっては最適な選択肢になる可能性がありますが、フラッシュメモリにとっては手ごわい競合になるでしょう。 スピン波技術 最近の大躍進の話に進む前に、まずはスピン波技術がどういうものなのかを確認しておきましょう。その後で、研究者チームが発見した内容についてご紹介します。 従来の電子機器では、電子電荷を使って情報の保存と操作が行われます。 トランジスタには、電流を流すオンの状態と電流を流さないオフの状態 があります。スピントロニクスでも電子が利用されますが、情報は電荷特性ではなくスピンを使って 保存されます 。電子スピンにも2つの状態がありますが、これらは放射される小さな磁場を測定することで識別されます。この研究チームは、エレクトロニクスのベースをトランジスタからスピンに置き換える方法を見つけたのです。 最近、シンガポール国立大学のチームは、スピン波の分野を 飛躍的に進展させました。スピントロニクスの問題の1つは、異方性が原因で波信号の方向がバラバラになってしまうことのようですが、Adekunle Adeyeye教授が率いるこの研究チームは 新しい構造 を使って、同じ信号を複数の方向へ同時に伝搬させました。この構造では外部の磁場が必要ないため、実装がより簡単になります。チームは以前、外部の磁場がない状態で スピン波信号を送信、操作する方法を発見しました。これら2つの発見を組み合わせれば、スピントロニクス デバイスの誕生にさらに近づけるでしょう。 電子は次のトランジスタになるかもしれない スピントロニクスの強み 新しいからといって、それが必ず役に立つとは限りません。では、スピン波の技術は何を実現してくれるのでしょうか？ スピントロニクスにはメモリの応用に活用できる
PCB設計ソフトウェアにバージョン管理を備えるべき理由 Thought Leadership PCB設計ソフトウェアにバージョン管理を備えるべき理由 出張の後、通常業務に戻るのは容易ではありませんが、今週は特に大変でした。クライアントとの緊急を要する契約を抱えており、そのプロジェクトに関わる社員は全員100%以上で働いています。私は順調に仕事を進めていました。ただし、それはPCB設計ソフトウェアを開き、誰かが私のレイアウトに変更を加えていたのを見るまでのことでした。私の スマートフォークの4本の歯のうちの2本が削除されていたのです。重大な変更でした。最悪です。精神的ショックで頭の中が真っ白になったように感じました。 全ての人が持っているであろう心配の種 - 「死のブルースクリーン」 なぜデータが破壊されたのでしょうか。実は、私たちは締め切りに間に合うように非常に急いでおり、変更やバージョン管理などは行っていませんでした。代わりに、会社のファイル共有にファイルを保存していました。そのため、加えられた変更は私が持っていた作業中の設計のコピーを上書きしたのでした。「大丈夫。1週間前のバックアップを参照してオリジナルのバージョンを入手できる」と思ったのですが。そう、IT部門はそのプロジェクトの共有を知らされていなかったため、バックアップを作成していなかったのです。作業中の設計の記録はありません。こうなったら、手作業でデータを回復させる必要があります。元の設計を思い出せることを期待するしかありません。私は運命を呪いました。 二の舞にならないように、自分の設計をバックアップ 自分の仕事をバックアップしていなかった私は間抜けでした。それは認めます。私の二の舞にならないように、自分の設計を頻繁にバックアップしてください。 それでは、プロジェクトに対する変更を管理する最善の方法は何でしょうか。確かに、自分の設計ファイルを時々手作業でコピーすることは可能です。プロジェクト共有全体の定期バックアップを作成するようにIT部門に依頼したり、無償のオンラインツールを使ってバックアップを自動化することもできます。多くの選択肢がありますが、残念ながらPCB設計者にとって満足のいくものはありません。 理想的な選択肢は、バージョン管理システムで設計を管理することです。その理由を以下に示します。 全ての作業は、最高の優先度の安全な場所に保管される。 チームの他のメンバーと容易に連携できる。 ファイルのバージョンを比較でき、バージョン間の差を一覧表示できる（diffとも呼ぶ）。 今日できたはずのファイルの前のバージョンに戻ることができる。 変更を説明し、またはプロジェクトのマイルストーンを追跡するために、コメントとラベルを追加できる。 変更が互いに干渉することを心配しないで、各種 分野の各種設計の側面で作業できる。 複数のコンピューターを登録し、それぞれの変更を同期させる時間を選択できる。 行った変更をチェックインする際、それらについて検討およびコメントする必要がある。 外部にデータをバックアップすることは重要です。しかし、クラウドというものは実在せず、他人のコンピューターに過ぎないことに留意する必要があります。