PCB技術 - 高速高密度PCB設計の重要な技術と進展

高速高密度はすでに多くの現代電子製品の重要な発展傾向の一つになりつつあり、高速高密度PCB設計技術はすでに重要な研究分野となっている。

従来のPCB設計と比べて、高速高密度PCB設計にはいくつかの重要な技術問題があり、新しい設計技術を開発する必要がある。多くの理論と技術的な問題を深く研究する必要がある。同時に、高速高密度PCBに対する要求はますます高くなり、これにより高速高密度PCB設計は絶えず新しい問題に直面している。大量の関連研究成果の出現は、高速高密度PCB設計技術の発展を推進した。本文は高速高密度PCB設計の重要な技術問題（信号完全性、電源完全性、EMC/EMIと熱分析）及び関連EDA技術の新しい発展を紹介し、高速高強度PCB設計のいくつかの重要な傾向を討論した。

重要な技術的問題

高速高密度PCB設計の重要な技術問題には、主に信号完全性（SI）、電源完全性（PI）、EMC/EMI、熱分析が含まれる。

シグナルインテグリティ

信号完全性とは、主に信号線上で伝送される信号の品質を指す。1回路信号が所望のタイミング、持続時間、電圧振幅で受信チップのピンに到達できる場合、回路は良好な信号完全性を有する。信号が正常に応答できない場合、または信号品質がシステムを長時間安定して動作させることができない場合、信号完全性の問題が発生します。信号完全性の問題は主に：遅延、反射、オーバーシュート、リンギング、クロストーク、タイミング、同期スイッチノイズ、電磁干渉などである。

信号整合性の問題は、信号歪み、タイミングエラー、および不正なデータ、アドレス、制御信号を直接引き起こし、システムエラーやダウンを引き起こす可能性があります。通常、デジタルチップでは、V IHより高いレベルは論理1、V ILより低いレベルは論理0、VILとVIHの間のレベルは不確定な状態である。発振ベルのあるデジタル信号では、発振レベルがVIL ~ VIHの不確定領域に入ると、論理エラーになる可能性がある。デジタル信号の伝送には正しいタイミングが必要である。一般的なデジタルチップでは、論理順序が正しいことを保証するために、クロックトリガエッジの設定前にデータが安定している必要があります。信号伝送遅延時間が長すぎると、クロックの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジで正しい論理を受信できず、タイミングエラーを引き起こす可能性があります。

信号整合性の問題の原因はより複雑である。デバイスのパラメータ、PCBのパラメータ、デバイスのPCB上のレイアウト、および高速信号の配線は、信号の完全性に影響を与える重要な要素である。信号完全性はシステム的な問題であり、信号完全性の問題を研究し、解決するにはシステムの観点を採用しなければならない。

相対的に言えば、人々は信号完全性問題に対して数十年の研究を行い、多くの重要な理論と技術成果を得て、豊富な経験を蓄積した。多くの信号完全性技術は比較的成熟しており、広く応用されている。

電源整合性

電源完全性とは、主に高速システム、配電システム（Power distribution system、PDS）が異なる周波数でインピーダンス特性が異なり、PCB上の電源層と接地層の間の電圧が回路基板上の各所で異なるため、電源が不連続になり、電源ノイズが発生し、チップが正常に動作しなくなることを意味する。また、高周波放射線のため、電源完全性の問題もEMC/EMIの問題をもたらします。高速、低圧回路では、電源ノイズが特に深刻です。

電力完全性の提案は、配線と装置モデルに基づく信号完全性解析が電力の影響を考慮せずにもたらした大きな誤差に由来する。

相対的に、電力完全性の研究はスタートが遅く、理論研究と技術手段はまだ成熟していない。これは高速高密度PCB設計が直面する最大の課題の1つである。現在、主にいくつかの一般的な措置をとり、電力完全性の問題による不利な影響をある程度減らす。採用された主な措置はPCBスタック、レイアウトと配線設計を最適化することである。第二に、デカップリング容量を適切に増加させることである。システム周波数が300〜400 MHz未満の場合は、適切な位置に適切なキャパシタを設置することにより、電源整合性の問題の影響を減らすことができます。しかし、システム周波数が高い場合、デカップリングキャパシタの役割は小さい。この場合、PCB設計を最適化することによってのみ、電源整合性の問題の影響を軽減することができます。

電磁互換性

EMC（電磁互換性）は、一般に、「デバイスまたはシステムがその電磁環境で正常に動作する能力であり、環境中のいかなるものにも耐えられない電磁干渉を構成しない」と定義されています。また、「研究は限られている。限られた空間、限られた時間、および限られたスペクトル資源の条件下で、退化を引き起こすことなく、さまざまな電気デバイス（広義のサブシステム、システム、および生体エンティティ）を共存させることができる」と定義されています。

EMCは主に電磁干渉（EMI）と電磁互換性（EMS）の2つの側面を研究している。電磁干渉源は結合経路を介してエネルギーを感受性システムに伝達し、電磁干渉を発生させる。これには、ワイヤと共通接地伝導、空間放射、または近接場結合の3つの基本的な形式が含まれています。

電子製品の電磁互換性は非常に重要である。現在、多くの国と地域には厳格で完全なEMC規格があります。市場に参入するためには、関連するEMCのテストと認証に合格しなければならない電子製品が増えています。また、電磁環境の悪化に伴い、電子製品に対するEMCの要求はますます高くなるだろう。

相対的に、EMCの問題は最も複雑です。上昇（下降）時間（上昇時間または下降時間）が5 nsから2.5 nsに減少すると、EMIは約4倍増加する。EMIのスペクトル幅は立ち上がり時間に反比例する。電磁Iの放射強度は周波数の2乗に比例する。このEMI放射の周波数範囲は、約数十MHz〜数GHzである。これらの高周波に対応する波長は非常に短いため、PCB上の短い接続線はチップ中の相互接続線でさえ効率的な送信アンテナや受信アンテナになり、深刻なEMC問題を引き起こす可能性があります。Henry Ott ConsultingのHenry W Ott社長はPCB Design Conference Eastの基調講演で、「高速設計時代にPCBデザイナーがEMCに関する多くの問題を理解していなければ、彼らは問題に直面するだろう。多くの予期せぬ問題に直面するだろう」と強調した。「設計速度が速くなり、ワイヤレス設計が一般的になっているため、EMCはより大きな挑戦になるだろう」

EMCの複雑さと現代のエレクトロニクス製品のEMCに対する要求が高まっているため、EMCテクノロジーは長期的な研究を必要とする重要な分野になります。現在、EMCの問題の予防と解決は主にいくつかの一般的なPCB設計制約規則に従っている。しかし、これらの規則の具体的な使用と効果は設計者の理論レベルと実践経験に大きく依存して詳細に分析しなければならない。