PCBニュース - 高性能PCB回路基板の設計方法

ハイテク応用に適したPCBを設計する方法

19世紀の第2次産業革命以来、人類科学技術は飛躍的に進歩し、特に人類は21世紀に入ってから、新インフラ、新エネルギー、人工知能などのハイテク分野が急速に発展した。単板、二板などの低周波、低速、低密度、低性能の回路基板は徐々に淘汰されている。

そのため、ハイテク製品の回路基板への要求はますます高まっている。高レベル、高速、高周波、ハイエンド、高密度、高難度PCBボードの応用はますます広くなっている。このタイプのPCB回路基板は将来のPCBである。業界の発展傾向。

では、これらの分野で使用される高性能回路基板をどのように設計するのでしょうか。私たちは特に有限会社のベテランPCBデザイナーを招待して、あなたと彼らの設計経験を共有します。

1.1信号完全性設計

優れたPCBデザイナーとして、回路基板の信号完全性（SI）、電磁干渉（EMI）、インピーダンス要件を考慮する必要があります。多層PCBの構造はこれらの要素に関連している：層数、電源と接地層数、層順序、層間隔など。信号層は電源層と隣接し、高速信号トレースは電源層の間の内層に位置し、最適な遮蔽を実現することが望ましい、電力層と接地層はできるだけ誘電体層の厚さを近づけ、小さくし、より高い誘電率（Dk）基板を用いて最適な寄生容量分布を実現すべきである［1］。

設計がインピーダンス制御回路基板である場合、設計者は異なる目標インピーダンスに対して少し異なるトレース幅を指定することができ、特に差分インピーダンスが関与している場合。例えば、多層板の第4層では、50オームの目標インピーダンスを得るために125個の島幅（5ミル）のトレースが必要であり、同じ層では125個の島幅のトレースを用いて100オームの差分インピーダンスを得る。そして、前のシングルエンドトレース設計の入力幅は128°m（5.1ミル）であり、後の差分トレースの入力幅は122°m（4.9ミル）である。このようにして、製造業者は任意の[2]で妥協することなく、2つのインピーダンス目標を独立して満たすことができる。

奔強公司が自動車通信用に設計した二次HDIボード

HDIボードの利点は、良好な高周波信号完全性と電気的性能を含む。信号完全性の向上は、より小さな基板とより短い配線、より小さなビア、より薄い誘電体層のためであり、配線遅延を減らすことで信号完全性を高めることができる。例えば、PCB上の高周波及び高速回路のノイズ、無線周波干渉（RFI）及び電磁干渉（EMI）を克服するために、HDIプレート微小孔（孔径0.15 mm以下）技術を使用することは、現在最も実行可能な解決策の1つである。

現在の高性能PCB設計プロセスには自動設計規則検査（DRC）ツールが装備されており、設計過程で繰り返し検査し、適時に是正することができ、時間、省力、正確である。自動DRCには、信号整合性（SI）、電源整合性（PI）、電磁互換性（EMC）、電磁干渉防止（EMI）、およびセキュリティ検査を含むレイアウトDRC、電気DRC、および電気規則検査ツールが含まれます。

1.2熱管理設計

放熱は電子機器の正常な動作と長期安定性にとって非常に重要である。そのため、システムの熱や温度の管理といった熱管理の要求がある。ICパッケージからPCB、電子システム全体に至るまで、発熱要素を考慮し、合理的な放熱方法を採用しなければならない。

PCB設計開始時には熱問題を考慮しなければならない。まず、設計を最適化して熱管理方法を簡略化し、コストを削減します。コンポーネントの位置とPCBレイアウトを含む熱性能に影響する最適化設計要素は、システムの気流を最大限に利用して冷却しなければならない。主な加熱部品の電力を推定し、熱シミュレーションを行い、より少ない熱を発生する同じ機能部品の選択を試みる、高熱部品の面積のために放熱器が必要かどうかを判断し、適切な放熱器を選択する、PCBタイプと材料を選択して放熱条件を満たす[3]。

市場には専門的な設計、熱シミュレーション、熱テストEDAツールがあり、熱バリア（Bn）と熱近道（Sc）分析技術を革新的に使用している。エンジニアは、IC、PCB、またはシステム全体の熱流がどこで阻害されているのか、なぜ熱流障害が発生しているのか、同時に最も速く、最も効果的な放熱近道を確定し、放熱設計の問題を解決することができる。［4］熱リスク管理（TRM）シミュレーションソフトウェアがあり、PCB回路の温度条件を予測することができ、導線、貫通孔、表面媒体、層の温度条件を含む。

PCB設計者には、コンポーネントから発生する熱を除去するための選択肢がたくさんあります。現在では、ほとんどが金属基板をPCBに直接接続して、放熱を支援しています。すなわち、金属ベースPCBまたは金属コアPCBです。熱管理ソリューションの選択には、さまざまな要素のバランスが必要です。回路基板とアセンブリのサイズと重量を増やすことなく放熱する方法典型的な放熱方法は6種類ある：（1）適切なPCB基板を選択して、標準型から熱伝導型まで；（2）PCB導体の銅厚は厚い銅型に発展し、（3）PCBビアを用いて銅を充填して熱伝導を行う、（4）PCB外部ヒートシンク、すなわち追加の金属基板、（5）PCB内部フィン、すなわち追加の金属コアプレート、（6）PCB部分に金属ブロックを埋め込む。デザイナーは、次の方法を選択する際に他の方法を組み合わせることもできる[5]。