PCBレイアウトの6つの基本ルール

PCBレイアウトでは、複数の層で回路を設計します。PCB設計の基本的なルールには以下のようなものがある：複数のグランドプレーンを避ける。アナログ回路の信号は直接かつ短くする。1枚のPCBに3つのコンデンサを使用しない。多層PCB設計と多層PCBの設計方法に関する記事もご覧ください。

多層プリント基板の設計

多層プリント基板を設計する際、考慮すべき重要なことがいくつかあります。そのひとつが、銅配線がシグナル・インテグリティとパワー・インテグリティを維持することです。もしそうでなければ、電流の品質に影響を与えかねません。このため、インピーダンスを制御したトレースを使用する必要がある。これらのトレースは、過熱を防ぐために通常より太くする必要があります。

欲しいものがはっきりしたら、PCBの設計を始めましょう。多層PCBを設計する最初のステップは回路図の作成です。この回路図は設計全体の基礎となります。回路図エディタのウィンドウを開きます。その後、必要に応じて詳細を追加したり、回転させたりします。回路図が正確であることを確認してください。

単一グランドプレーンの作成

PCBレイアウト上に単一のグランドプレーンを作成することは、回路基板全体の不均一な電圧の量を減らすのに役立ちます。これは、グランドプレーンを基板の他の部分と接続するためのビアまたはスルーホールを作成することによって達成される。また、リターン電流の変動によって発生するノイズの低減にも役立ちます。

PCB上にグランドプレーンを定義する際、グランドプレーンが導電性リングで覆われていないことを確認することが極めて重要である。グランドプレーンは電子部品の下に配置するのが理想的です。グランドプレーンに合わせるために、いくつかのトレースや部品の配置を変更する必要があるかもしれません。

アナログ回路の信号を直接かつ短く保つ

アナログ回路用のPCBレイアウトを実装する場合、アナログ信号トレースを短く、直接配線することが重要である。さらに、アナログ部品は互いに近くに配置する必要があり、そうすることで直接配線が簡単になる。ノイズの多いアナログ部品を基板の中心に近づけることも、ノイズを減らすのに役立つ。

アナログ回路信号を直接かつ短く保つことに加えて、設計者はリターン・パスを妨害することも避けるべきである。プレーン・スプリット、ビア、スロット、切り欠きなどは、アナログ信号が原点に戻る最短経路を探す際にノイズの原因となる。その結果、信号はグランドプレーン付近をさまよい、重大なノイズを発生する可能性がある。

3つの異なるコンデンサーを避ける

PCBレイアウトを設計する際、電源ピンに3つの異なるコンデンサを配置するのは避けた方がよい。この配置は、解決するよりも多くの問題を引き起こす可能性がある。3つの異なるコンデンサを避ける1つの方法は、トレースとコッファーフィルを使用することである。そして、それらをできるだけデバイスのピンの近くに配置する。

しかし、トレース間の距離が設計段階で計算されたものであるとは限らないため、これは必ずしも可能ではない。これはよくある問題で、組み立て工程で問題になることがあります。配置を検討する際には、各コンポーネントの配置がその機能にとって極めて重要であることを忘れないでください。

パワー層銅の使用

PCBレイアウトで電源層銅を使用するには、適切な計画が必要です。ボードのこの部分では、パワーネットワーク用にボードの特定のエリアを割り当てる必要があります。このエリアを割り当てるために、インナーレイヤー分割を使用することもできます。このレイヤを追加するには、"PLACE-SPLIT PLANE "コマンドを使用し、分割するネットワークを選択します。電源レイヤーのエリアが割り当てられたら、銅の舗装テクニックを使って分割エリアに銅を配置することができます。

銅の被覆を均一にすることに加え、ボードの厚みがコアに適合していることを確認する必要があります。電源プレーンの対称性だけでは、完璧な銅の被覆を保証することはできません。基板端までの銅は、スコアリング（Vカット）技術にも適合しません。この問題を避けるために、メカニカル・レイヤーに銅ゾーンを表示し、その幅を最小 0.5mm にすることを推奨します。

ガイドラインのリストを使ってPCBに部品を配置する

PCBにコンポーネントを配置する際にガイドラインのリストを使用すると、製品開発サイクルを短縮しながら、新製品開発の全体的なコストを最小限に抑えることができます。また、これらのガイドラインは、プロトタイプから生産へのスムーズな移行にも役立ちます。これらのガイドラインは、アナログ回路とデジタル回路の両方に適用できます。

ほとんどの基板設計者は、PCBを設計する際に一連のガイドラインに従う。例えば、典型的な基板設計ルールは、デジタル・クロック・トレースの長さを最小限にすることです。しかし、多くの設計者は、これらのガイドラインの背後にある根拠を十分に理解していません。とりわけ、高速トレースは信号リターン・プレーンのギャップを越えてはならない。

灌漑用ポンプ充填後のEMI劣化

灌漑ポンプ充填後のEMI劣化を解析するには、放射と伝導の2種類の方法がある。充填後のEMI劣化は、接着剤の種類や入力アースの取り方によって異なる。EMI劣化はエタノールや水によって悪化する。

充填後のEMI劣化

電源充填後の EMI 劣化はしばしば「充填効果」と呼ばれ、電源充填後の EMI 感度の低下を表す。この劣化は、放射と伝導の組み合わせである。充填効果」は、電源を構成する材料が一連の変化を受けるために生じる。これらの変化の中には望ましくないものもあれば、有益なものもある。

不要電磁エネルギー（EMI）とは、誘導結合や容量結合によって空間に伝播する放射のことである。この不要なエネルギーは電子機器に有害で、その機能に影響を与える。この輻射は非伝導性であり、信号は金属などの物質を伝導しない。信号が長距離を伝わる場合、その伝播は波の形になる。この波は、遠距離では放射線場が支配的であるが、表面近くの距離では誘導場が支配的である。一方、非電離放射線は気体をイオン化せず、電子機器に影響を与えない。非電離放射線の例としては、RF、電子レンジ、赤外線、可視光線などがある。

静電気もEMIの原因のひとつです。このノイズの発生源を特定するのは難しいが、雷などの自然発生源から発生することもある。EMIは電子機器の性能に影響を与えるだけでなく、多くのシステムで安全上の問題を引き起こす可能性がある。EMIの最も一般的な原因は静電気放電です。この種のノイズは、技術者でなくても、ラジオの静電気、テレビ受信の歪み、オーディオ・システムのクリック音として認識することができます。

水充填後のEMI劣化

電源スイッチング後の注水による EMI 劣化は、放射と伝導の 2 種類に分類できる。水封後のEMI劣化は通常、入力グラウンドの温度変化と、水封コンデンサに使用される導電材料によって誘発される。導電材料には、固有導電率が最も高いアルミニウムや銅繊維が含まれる。しかし、これらの繊維の表面は酸化しやすく、部品の導電性に影響を与える可能性がある。さらに、一部の不誠実な業者は一貫した製品を提供しない可能性がある。

EMIは電気製品の安全性や性能に影響を与える可能性があります。これらの不要信号は無線通信を妨害し、近くの機器の誤作動を引き起こす可能性があります。したがって、EMIシールドは電子機器にとって不可欠な要件です。EMIシールドには様々な方法や素材が使用されている。以下にそのいくつかを紹介する：

連続炭素繊維複合材料は、不連続炭素繊維複合材料よりも優れたEMI SEを示し、導電性にも優れている。炭素マトリクスを持つ連続炭素繊維複合材料は、124 dBのEMI SEを示す。一方、不連続炭素繊維は複合材料のSEを著しく低下させる。

スイッチング電源は、効率という点ではリニア・レギュレータよりも改善されているが、システムの信頼性に悪影響を及ぼす不連続電流を依然として導入している。EMI 解析は、放射ノイズよりも導電ノイズの方が容易である。導電性ノイズは、標準的な回路解析技術を用いて評価することができる。

エタノール充填後のEMI劣化

電磁干渉（EMI）は、電子部品やデバイスに様々な影響を与えます。例えば、コンデンサーが公称電圧よりも高い電圧ピークにさらされると、誘電劣化を起こすことがあります。この劣化は、部品の特性によっては誤動作や焼損の原因となります。

電磁干渉は、現代のテクノロジーにおいて一般的な問題である。電子機器の誤作動を引き起こし、通信システムの損傷につながることもあります。この干渉は、モーターブラシの火花、電源回路のスイッチ、誘導性負荷、抵抗性負荷、リレー、回路の断線など、さまざまな原因で発生します。わずかなEMIでも電子機器の性能を低下させ、安全性を損なう可能性があります。EMIの最も一般的な発生源は静電気放電（ESD）であり、多くの人がラジオ局の静電気、テレビ受信の歪み、オーディオシステムのクリック音として認識しています。

EMIはスイッチング電源からも発生する。これらの電源はEMIの強力な発生源であり、慎重な制御が必要である。EMIのリスクを低減するためには、これらの電源の出力ノイズを定量化することが極めて重要である。これは時間とコストのかかるプロセスである。

マルチメーターの精度を向上させる数個の抵抗の使い方

マルチメーターの精度を向上させるには、いくつかの抵抗や部品を使用することができます。これらは、マルチメータのプローブと接触したままになるように固定する必要があります。抵抗器や部品に手で触れないようにしてください。この問題を避けるには、部品をブレッドボードに取り付けるか、ワニ口クリップで固定してください。

シャント抵抗器の使用

シャント抵抗器の抵抗値はマイクロオームで表される。シャント抵抗の抵抗値は、通常非常に小さい。このタイプの抵抗を使用すると、リード抵抗による望ましくない影響が生じないため、マルチメータの精度が向上します。ただし、シャント抵抗の抵抗値は周囲温度によって変化する傾向があるため、ケルビン接続で使用することが重要です。

マルチメーターは負荷電圧に敏感であるため、オペレーターは負荷電圧と分解能に注意する必要があります。テスト頻度が低いと、予期せぬ製品の故障につながる可能性があります。シャント抵抗器は、さらなる分解能を提供することにより、マルチメータの精度を向上させます。これは、フルスケール測定が可能なベンチ・マルチメータに特に有効です。

アナログ・マルチメーターの正しいレンジ設定

アナログ・マルチメーターで正しいレンジを設定するには、まずオームの単位を最小値に設定することから始める。一般的には、抵抗値は860から880オームの間であるべきです。あるいは、学習と練習のために、より低い抵抗レンジの200オームを使用することもできます。

マニュアル・レンジのマルチメーターは、多くの選択オプションを備えたノブを備えています。これらには通常、メートル法の接頭辞が付けられている。一方、オートレンジのマルチメーターは、自動的に適切なレンジに設定される。さらに、デジタル回路を測定するための特別な「ロジック」テスト機能がある。この機能では、赤（＋）のリード線を陽極に、黒（-）のリード線を陰極に接続する。

アナログ・マルチメーターのレンジを設定するのは、特に使ったことのない人には難しく思えるかもしれません。しかし、この作業は驚くほど簡単で、数個の抵抗で行うことができます。レンジの違いさえ知っていれば、この作業はもっとうまくいくでしょう。

高精度電流検出抵抗器の使用

マルチメータの精度は、高精度電流検出抵抗を使用することによって向上させることができます。これらの部品は、さまざまなスタイルで購入することができます。バッテリーに出入りする電流の正確な量が必要なアプリケーションに便利です。また、温度感受性が懸念されるアプリケーションにも役立ちます。

推奨フットプリント寸法を図 6 に示す。センサートレースの配線も、測定精度を決定する上で重要な役割を果たします。ャ ン ス電圧が ャ ン ス電圧は ャ ン ス抵抗の ャ ン ス端で ャ ン ス電圧は ャ ン ス抵抗の ャ ン ス端で ャ ン ス電圧は ャ ン ス電圧は ャ ン ス抵抗の ャ ン ス抵抗の ャ ン ス抵抗の ャ ン ス抵抗の

電流検出抵抗器は、電流の流れを検出して電圧出力に変換する低抵抗器です。通常、抵抗値が非常に低いため、電力損失と電圧降下を最小限に抑えることができます。抵抗値は通常、ミリオーム単位です。このタイプの抵抗器は標準的な電気抵抗器に似ていますが、電流をリアルタイムで測定するように設計されています。

抵抗器またはプローブに指で触れる。

マルチメーターには、バッテリーや電源のプラスとマイナスのリード線を検出する特別な機能もある。リード線にマルチメーターのプローブを数秒間当てると、そこに流れる電流がプラスかマイナスかを判断できる。赤いプローブは、バッテリーのプラス端子またはワイヤーに接続されている。

マルチメータを使って抵抗を測定する場合は、回路に電源が入っていないことを確認する必要があります。そうしないと、不正確な測定値を受け取る可能性があります。抵抗値は、それを測定する方法を知っているほど重要ではないことを覚えておいてください。さらに、回路に電流が流れていると、マルチメータが損傷する可能性があります。

ブレッドボードの穴と穴の間の導通テスト

ブレッドボードの穴と穴の間の抵抗を測定する前に、まずブレッドボードの接続性をチェックする必要があります。このテスト方法は導通チェックとして知られており、2つの接続が互換性があるかどうかを判断する簡単な方法である。ブレッドボードには穴があり、それぞれの穴の下に金属製のスプリングクリップが付いています。マルチメーターのプローブをこの2点に接続する。これらのポイント間の導電パスを見つけるのが難しい場合は、ブレッドボードとマルチメーターの間に数個の抵抗を取り付けます。

プログラマブル機能付きのマルチメータを使用している場合は、一度にいくつかの穴の間の導通をテストすることで、より正確にすることができます。これを行うには、ブレッドボードの「＋」と「-」の列にプローブを挿入し、その間の抵抗を測定する。抵抗値が無限大であれば、2つの列は接続されていないことになる。

SMTP処理中にBGAパッド下のPCB樹脂材料が割れる理由

PCB樹脂材料のクラックは、封じ込められた水分の存在によって発生する。この原因は、はんだ付け温度が高いために蒸気圧が上昇することです。また、基板の熱膨張によってBGAパッド間の間隔が変化することでもクラックが発生することがあります。この種の障害のリスクを軽減するには、代替パッド仕上げを使用することで、隣接するパッケージへの熱影響を軽減することができます。

水分の巻き込みがプリント基板樹脂材料のクラックを引き起こす

こもった水分は、層間剥離、ブリスター、メタルマイグレーションなど、プリント基板のさまざまな故障の原因となります。また、誘電率や誘電正接を変化させ、回路のスイッチング速度を低下させます。湿気はまた、銅やBGAパッドを含む様々なPCB機能のストレスレベルを増加させます。また、銅表面の酸化につながり、仕上げの濡れ性を低下させます。さらに、電気的なショートやオープンの発生を増加させます。PCB製造には水を使用する工程が多いため、これは特に問題となります。

SMT加工中、巻き込まれた水分がPCB樹脂材料にクラックを発生させることがある。このため、PCBメーカーはソルダーマスクの開口部のサイズに注意を払う必要がある。そのサイズは、希望するランド面積よりも小さくする必要があります。SMDのパッド面積が大きすぎると、はんだボールを配線するのが難しくなります。

リフローはんだ付け温度による蒸気圧の上昇

BGAはんだ付け時のパッケージ反りには、さまざまな要因が影響します。これには、優先加熱、影の効果、反射率の高い表面などがあります。幸いなことに、強制対流リフロープロセスはこれらの影響を軽減することができます。

リフロー温度が高いと、はんだバンプの劣化につながります。温度の上昇は、はんだ接合部の高さの減少につながり、その結果、はんだバンプの元の高さよりも小さいはんだスタンドオフとなる可能性があります。

取り付けパッドの形状も、はんだ接合部の堅牢性を決定する重要な要素である。小さいパッドよりも大きくて幅の広いパッドを使用することをお勧めします。面積が大きくなると、クラックが発生する可能性が高まります。

粘着性フラックスにより、隣接パッケージへの熱影響を低減

タッキーフラックスは、チップスケールやフリップチップパッケージの組み立て時に使用される熱硬化性材料です。その組成は反応性化学物質で構成され、リフロー加熱中にアンダーフィル材に可溶化します。硬化後、タッキーフラックスは最終パッケージのネットワーク構造の一部となります。

化学的な湿潤剤であるフラックスは、溶融はんだの表面張力を低下させ、はんだがより自由に流れるようにすることで、はんだ付けプロセスを容易にします。浸漬、印刷、ピン転写などの方法がある。多くの場合、エポキシアンダーフィルと互換性があります。これにより、smt処理中に隣接するパッケージの熱影響を軽減することができます。

粘着性フラックスを使用することで、はんだ付けの際に隣接するパッケージへの熱影響が軽減される。しかし、この方法には限界がある。フラックスが故障する原因はいくつかあります。フラックス中の不純物ははんだ付けプロセスを妨害し、はんだ接合部を弱くします。さらに、はんだ付けの前にはんだペーストを適切に洗浄するには、高価な装置が必要になります。

代替パッド仕上げ

PCBのクラック伝播挙動は、使用されるパッド仕上げによって影響を受ける可能性がある。この問題を解決するために、さまざまな方法が開発されてきました。そのひとつが、有機はんだ防錆剤の使用です。この防腐剤はパッドの酸化に対して効果的です。さらに、はんだ接合部の品質維持にも役立ちます。

パッド形状は基板の剛性を決定する。また、ソルダーマスクの開口部も定義します。基板の厚さと各層を形成するために使用される材料は、基板の剛性に影響します。一般的に、パッドとデバイスの比率は1：1が最適です。

プリント基板樹脂材料のクラックを評価する試験方法

SMTP処理中のPCB樹脂材料の性能を評価するために、さまざまな試験方法が利用できる。これには、電気的特性評価、非破壊法、物理的特性試験などが含まれる。場合によっては、これらの試験を組み合わせてパッドのクレータリングを検出することもある。

クラックを特定する試験方法の一つは、ピン間の距離を測定することである。通常、ペリフェラルパッケージでは0.004インチ、BGAパッケージでは0.008インチが許容範囲である。PCB樹脂材料の特性を調べるもう一つの試験方法は、熱膨張係数を測定することである。この係数はppm/摂氏温度で表される。

もう一つの方法はフリップチップ技術である。このプロセスは、高密度フリップチップBGA基板の製造を可能にする。高度なICパッケージングに広く使用されています。フリップチッププロセスでは、はんだ付け性のために、均一で不純物のない高品質な仕上げが要求されます。これらは通常、銅パッド上の無電解ニッケルめっきと薄い無電解金めっき層によって達成されます。ENIG層の厚さはPCBアセンブリの寿命によって異なりますが、通常、ニッケルは約5μm、金は0.05μmです。