HDI PCBボードのレイヤスタックアップを最適化する方法
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- 1. PCBスタックアップとは？
- 2. 適切なPCBスタックアップのための設計ガイドライン：
- 3. 効果的な信号ルーティングのための設計ガイドライン：
- 4. 層数の選び方：
- 5. 層スタックアップ設計：
- 6. 4層PCBスタックアップ：
- 7. 6層PCBスタックアップ：
- 8. 8層PCBスタックアップ：
- 結論：
HDIスタックアップという多層PCB設計における最先端技術の導入により、PCB設計者は今後ますます複雑で小型の基板を作成できるようになります。PCBスタックアップを設計する最初のステップは、プロジェクトのニーズを正確に定義することです。必要な層数を決定することが最初の段階であり、これは回路の複雑さ、信号密度、電源配電要件、設計にRFまたは高速信号が必要かどうかに依存します。
1980年代後半にHDI PCB製造が始まりました。1984年のPCBの連続的な構築により、最初のHDI製造が開始されました。それ以来、製造業者と設計者は、より少ないスペースに多くの部品を収める方法を常に模索してきました。IPC-2315およびIPC-2226に従って、HDI基板は設計および製造されます。この記事では、PCBスタックアップとは何か、なぜ重要なのか、どのように選択するか、一般的なスタックアップ構成、およびHDI PCBのインピーダンス制御の問題について説明します。
1. PCBスタックアップとは？
PCBにおける銅と絶縁層の配置をスタックアップと呼びます。これは、層間で電源プレーンと信号トレースをどのように配分するかを決定します。これは温度制御と電気的性能に直接影響します。HDI設計では、高い相互接続密度を得るために、複数の層を正確な構成で使用することがよくあります。しかし、いくつかの疑問は依然として残っています。たとえば、どのように層を選ぶのでしょうか？式はありますか？4層か6層を使うべきですか？この記事の終わりまでには、これらの疑問すべてに答えが出ています。決まった式はありませんが、従わなければならない基本的な設計原則があり、そうでなければ次のような問題が発生する可能性があります：
⦁ 抵抗不整合
⦁ 熱遅延の問題 EMI/EMC
2. 適切なPCBスタックアップのための設計ガイドライン：
最高品質の製品を作成するためには、他の設計や製造プロセスと同様に、設計者は特定のガイドラインに従わなければなりません。すでにご存知のように、最終製品が製造される前に、電子機器はさまざまな部品を含む複数のプロセスを経なければなりません。
⦁ グランドプレーンは、ストリップラインでの信号ルーティングを可能にし、グランドインピーダンスを下げることでグランドノイズを大幅に削減するため、重要です。
⦁ グランドプレーンは高速時の放射線を削減するシールドとして機能し、高速信号は層間の中間層でルーティングする必要があります。
⦁ 最良の結果のため、信号層はグランドプレーンの近くに配置する必要があります。
⦁ 効率的な動作のため、マスプレーンと電源接続は慎重に計画する必要があります。
⦁ バランスの取れた性能を保証するため、PCB構成は対称である必要があります。
⦁ 適切な信号整合を維持するため、信号インピーダンス要件を満たす必要があります。
⦁ 設計時には、各信号層の厚さを考慮する必要があります。
⦁ 材料が設計仕様を満たしていることを確認するため、機械的、化学的、電気的、熱的特性を評価する必要があります。
3. 効果的な信号ルーティングのための設計ガイドライン：
部品密度が上がるにつれ、HDI基板のルーティングはますます複雑になります。HDI PCB設計が高密度ルーティングをサポートするためには、トレース幅、ビアサイズ、スペーシングを最小限に抑える必要があります。HDI PCB設計では、すべての主要信号部品、デカップリングコンデンサ、ICのルーティングが完了した後、残りのすべての部品をルーティングする必要があります。
高速信号によるノイズとクロストークを減らすため、グランド層と電源層を内層として多層基板を設計することをお勧めします。これらのグランド層と電源層の配置は、グランド層が信号層のすぐ下に配置され、トップ層の差動信号のリファレンス層および戻り経路として機能します。インピーダンスを下げるため、電源層はグランド層の後に配置されます。
各信号に独自のグランドプレーンを提供するため、スプリットプレーンの概念で銅を敷く必要があります。これにより、HDI PCB設計は近くの信号からの干渉なしに機能し、さまざまな信号や部品によって発生するノイズが削減されます。以下に、最もよく使用される多層PCB設計ルールの一部を示します。
4. 層数の選び方：
シンプルな設計では2～4層で十分な場合もありますが、FPGA、SoC、RFアプリケーションを使用する複雑な基板では、6～8層以上が必要になることがよくあります。高速回路やEMIに敏感な設計では、追加のグランドプレーンと慎重に検討された層構成が通常必要です。
スタックアップの各層は、明確な目的を果たすべきです。グランドプレーンは、高速通信に特に重要な低インピーダンスの戻り経路を提供しますが、信号層はトレースのルーティングに使用されます。高密度設計では、複数の電源プレーンが必要になることがあります。電源プレーンは、基板全体に電圧を供給するために使用されます。ノイズと電磁干渉を減らすため、信号層は理想的にはグランドプレーンの近くに配置する必要があります。ミックスドシグナルアーキテクチャでは、アナログとデジタルの空間を慎重に分離する必要があります。
5. 層スタックアップ設計：
設計の要件に応じて層スタックアップを選択することで、ノイズを最小限に抑えることができます。たとえば、信号はグランドプレーンの上に配置された経路の場合、より高速に伝播します。また、スタックアップに電源プレーンを追加することで、必要なトラック数が減り、ビアを使用してVCCまたは5Vを供給できるようになります。
6. 4層PCBスタックアップ：
4層スタックアップ1（汎用標準）：
層1：信号（トップ）
層2：グランド（GND）プレーン
層3：電源（VCC）プレーン
層4：信号（ボトム）
4層スタックアップ2（信号整合重視）：
層1：信号
層2：グランド
層3：グランド/電源（必要に応じて分割）
層4：信号
7. 6層PCBスタックアップ：
6層スタックアップ1（高速信号）：
層1：信号
層2：グランド
層3：信号
層4：信号
層5：電源
層6：信号
6層スタックアップ2（電源整合重視）：
層1：信号
層2：グランド
層3：電源
層4：グランド
層5：信号
層6：信号
8. 8層PCBスタックアップ：
8層スタックアップ1（EMI制御、高速設計）：
層1：信号
層2：グランド
層3：信号
層4：電源
層5：グランド
層6：信号
層7：グランド
層8：信号
8層スタックアップ2（高密度電源配電）：
層1：信号
層2：グランド
層3：信号
層4：電源
層5：電源
層6：信号
層7：グランド
層8：信号
結論：
最適なスタックアップは、PCBと回路のアプリケーションによって異なり、2層から10層HDI基板まであります。高速スタックアップは、EMIや信号整合など多くのことを考慮する必要があるため、より高価です。スタックアップの品質がこれらの考慮事項を考慮して設計されていない場合、PCBは高速アプリケーションに不適切になる可能性があります。JLCPCBのような信頼できる製造業者と協力することが不可欠です。主要なPCB製造業者の1つであるJLCPCBは、最先端の生産ラインを提供して、最も複雑な高速設計でも信頼性が高くコスト効果の高い製造を保証します。これにより、スムーズな生産が保証されるだけでなく、エンジニアは最先端でコンパクトな技術を市場に迅速に投入することができます。
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