設計に行き詰まっている 2

Sep 05, 2023

多くの読者は、PCB のホーム エッチングのプロセスに精通しているはずです。今日では、多少複雑ではあるものの、非常に簡単だと考えられています。 私が初めてエレクトロニクスに興味を持った若い頃はそうではありませんでした。 当時は片面基板までエッチングするのは“上級者”の趣味でした。 私が独自の PCB のエッチングを開始するまでに、上級の愛好家は両面ホームエッチング基板を使用していました。これは、私がこれまでに作成した成功例を 1 つも見つけることができなかったため、上に写真に載っていない唯一のタイプです。 その後、「ベアボーン」製造 PCB の台頭を見てきました。これは、メッキスルーホールを備えた、専門家が作成した固定サイズの基板ですが、ソルダーマスクやシルクスクリーンはありませんでした。 最終的に、これは、ソルダーマスクとシルクスクリーンを備えた完全な 2 層ボードを使用する、現在提供されている集約 PCB サービスに取って代わられました。

現在、「上級」愛好家は 4 層ボードを使用している可能性がありますが、4 層の採用率はまだ比較的低いため、たとえば OSH パークでは 2 層が約 90%、4 層が 10% ほど生産されています。 これまでのすべてのテクノロジーの場合と同様、この傾向は必然的に増加すると思います。先進的なテクノロジーが最終的には主流になります。 これまでの各移行により、設計と構築が容易になるだけでなく、パフォーマンスも向上しました。4 層がより一般的になるにつれて、同じことが当てはまります。

それでは、4 層 PCB の設計を見てみましょう。 これまでデザインを検討したことがなかった場合は、わずかな追加コストで得られるすべての利点に驚かれるかもしれません。

2 層 PCB と 4 層 PCB の明らかな違いは、2 層の銅層が追加されていることです。 基板内の層の特定の配置は「スタックアップ」として知られています。 2 層のスタックアップはシンプルです。コア材料 (ほとんどの場合 FR4 ガラス強化エポキシ ラミネート) の両側に指定された厚さの銅があります。 典型的な例を図に示します。銅は 1.4 ミル (別名 1 オンス)、コアは 60 ミルです。 これまでに 4 層 PCB を扱ったことがない場合は、余分な 2 つの内側の銅層が内部に等間隔に配置されていると考えるかもしれませんが、通常は外側の層にかなり近い位置にあります。 これには非常に説得力のある理由がいくつかありますが、それについては後で詳しく説明します。

多数の PCB をメーカーに直接注文する場合は、設計に合わせて間隔と銅の厚さを変更してスタックアップをカスタマイズできます。 ただし、愛好家向けのサービスでは、標準の 4 層スタックが得られます。 幸いなことに、多くのサービスは提供するサービスを適切に選択しています。 たとえば、OSH Park は 4 層サービスにプレミアム FR408 基板を使用しており、優れた RF 性能を実現しています。

さて、あと 2 つの銅層ができました。これらをどうすればよいでしょうか? デザインをアレンジする方法は多数ありますが、特別な理由がない限り、最も一般的な戦略に従うのが最善です。 このアプローチでは、外側の層は信号に使用され、内側の 2 つの層は電源プレーンとグランド プレーンとして使用されます。 最も一般的には、グランド プレーンは PCB のコンポーネント側に最も近くなります。 次に、信号は 2 つの外側の層に配置されます。 これを行う便利な方法の 1 つは、信号を 2 つの層で直交方向に配線することです。上部の層は主に垂直のトレースを持ち、下部の層はほぼ水平になります。 対角線上のどこかに行くには、マンハッタンほどの距離のパスを、レイヤー間を交互に進みます。 これにより、達成可能な信号密度が増加し、設計を反復するための良い開始点となります。

2 層スタックアップと同様に、層間の接続はビアで行われます。 たとえば、IC に電力を供給するために、電源プレーンに接続するビアへの短く幅広の配線でピンをブレークアウトする場合があります。 さらに良いことに、コンポーネント側に銅を流し込んで作られた小さな「電源アイランド」を作成し、複数のビアを介してプレーンに接続し、近くに 1 つ以上のバイパス コンデンサを追加して、安定した電源を確保することもできます。 多層 PCB では、さまざまな種類のビアがありますが、愛好家レベルの製品では、通常、基板のすべての層を貫通する、より馴染みのあるタイプに限定されます。 より高度な基板プロセスでは、外層を内層にのみ接続するブラインド ビアや、内層のみを接続する埋め込みビアを使用することもできます。