電子製品には多機能性が求められる一方で、小型で持ち運びやすいことも要求されるため、回路基板設計者にとって新たな課題が生じています。これを実現するために、設計者は多層基板を採用しています。多層基板は、より多くの信号や電子回路を搭載できるスペースが広く、より高度な機能を実現できます。しかし、基板設計の成功は、基板の積層構造を慎重に検討することにかかっています。この重要な要素は、回路基板の性能、信頼性、コスト、製造性に直接影響を与えます。この記事では、基板の積層構造設計に関するガイダンスとして、ルール、提案、例などを紹介し、より良い積層構造設計の実現を支援します。
PCBスタックアップとは何ですか？
PCBスタックアップとは、プリント回路基板を構成する銅層と絶縁層の配置を指します。典型的なPCBスタックアップは、プリプレグ層やコア層などの銅層と絶縁材層が交互に積層された構造です。銅層には回路が収容され、基板上の電子信号の伝導経路として機能します。
プリント基板（PCB）の積層構造は、基板設計において不可欠な要素であり、信号完全性、電力分配、電磁両立性（EMC）など、基板の電気的特性を決定づけます。また、基板の機械的特性や熱的特性にも影響を与えます。PCBの積層構造における層数は柔軟に変更可能であり、回路の複雑さや特定の設計要件によって決定されます。
2層PCBスタックアップは最もシンプルで一般的ですが、高密度設計では、必要な部品と配線を収容するために4層以上が必要になる場合があります。設計者は、設計プロセスにおいてPCBスタックアップを慎重に検討し、ボードが必要な電気的および機械的要件を満たしつつ、製造コスト効率も確保できるようにする必要があります。適切なスタックアップ設計は、信号損失の最小化、電磁干渉の低減、安定した電力分配ネットワークの提供に役立ち、より信頼性が高く高性能な回路基板を実現します。
PCBスタックアップ設計のルールとヒント
適切なスタックアップを管理するには、何百ものルールと基準に従う必要がありますが、最も重要なものは次のとおりです。
- グランド プレーン ボードは、マイクロストリップまたはストリップライン構成のいずれかで信号ルーティングが可能で、グランド インピーダンスとグランド ノイズ レベルが低くなるため、推奨されるオプションです。
- 高速信号からの放射を防ぐには、グランドプレーンをシールドとして使用しながら、異なるレベル間の中間層で高速信号を配線することが重要です。
- 信号層は、隣接する平面上にある場合でも、常に平面の隣に、できるだけ互いに近くに配置する必要があり、
- 複数のグランドプレーンを持つことは、ボードのグランドインピーダンスを下げ、放射を減らすので有益です。
- 電源プレーンとグランドプレーン間の強力な結合が重要です。
- 変形を避けるために、機械的な観点から断面を作成することをお勧めします。
- 信号レベルがグランドまたは電源のいずれかのプレーン レベルの隣にある場合、戻り電流は隣接するプレーンを通って流れ、戻りパスのインダクタンスを低減するのに役立ちます。
- ノイズと EMI のパフォーマンスを向上させるには、信号層と隣接するプレーン間の絶縁体の厚さを減らすことが実行可能な方法です。
- 電気的、機械的、および熱的特性に基づいて材料を選択する場合、標準的な厚さとさまざまな種類のプリント回路材料の特性を考慮して、各信号層の厚さを考慮することが重要です。
- スタックアップを設計するには、高品質のソフトウェアを使用して、ライブラリから適切な材料を選択し、寸法に基づいてインピーダンス計算を実行する必要があります。
推奨材質と厚さ
PCBスタックアップの3つの主要コンポーネントは、銅、絶縁体、そしてグランドプレーンです。そして、それぞれの材料の選択と厚さは、PCBの性能特性を決定する上で重要な役割を果たします。
- 銅層
銅には複数の種類があり、それぞれ融点、電気伝導率、熱膨張率が異なります。銅の選択は通常、設計要件に基づいて行われます。銅層が厚くなると設計全体の堅牢性は向上しますが、基板のコストも増加することに注意してください。
- 絶縁層
プリント基板（PCB）において最も一般的に使用される絶縁材料は、 FR-4エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、およびパリレンコーティング材です。適切な絶縁材料の選択は、使用環境によって異なります。EMIシールド効果を高め、基板の耐久性を向上させるためには、できるだけ厚い絶縁層を使用することが望ましいです。ただし、絶縁層が厚すぎると、配線やビアの品質に影響を与える可能性があります。
- グランドプレーン層
銅とニッケルは、最も広く使用されているグランドプレーン材料です。グランドプレーン材料の選択は、設計要件とはんだマスクの種類に基づいて行われます。グランドプレーンの推奨厚さは0.1mm～0.25mmです。グランドプレーンが厚いほど性能は向上しますが、基板サイズも大きくなります。
PCBスタックアップ設計例
4層PCBスタックアップ
標準的な4層PCBスタックアップは、通常、基板中央に厚いコア層があり、その周囲をXNUMX層の薄いプリプレグ層が囲んでいます。表面層は主に信号配線と部品実装に使用されます。内層は、多くの場合、電源とグランドの配線に使用されます。層間の接続には、スルーホールビアが一般的に使用されます。外層には、SMD部品やスルーホール部品の実装を可能にするため、露出パッド付きのはんだマスクが施されています。
6層PCBスタックアップ
6層PCBスタックアップの設計は4層設計と似ていますが、プレーン間に62つの信号層が追加されているため、高速信号に最適なXNUMXつの埋め込み層と、低速信号の配線に適したXNUMXつの表面層が存在します。信号層を隣接するプレーンに近づけ、センターコアを厚くすることで必要な基板厚（例：XNUMXミル）を実現することで、EMI性能を大幅に向上させることができます。
8層PCBスタックアップ
8層PCBスタックアップの場合、電磁両立性（EMC）を高め、EMI関連の問題を最小限に抑えるため、設計には少なくともXNUMXつの電源/グランドプレーンを含める必要があります。PCBエンジニアと設計者は通常、スタックアップ構成を設計する際に回路の要件を考慮します。
結論
PCBスタックアップ設計は、電子エンジニアと設計者の両方にとって非常に重要な側面です。高品質な電子機器を製造するには、さまざまな要素を考慮する必要があります。適切に設計されたPCBスタックアップがなければ、最終製品の品質と性能は大きく損なわれる可能性があります。そのため、設計者は最適な結果を得るために、適切なPCB材料と構造を慎重に選択することが重要です。PCBスタックアップ設計に関する専門知識が不足している場合は、PCB設計スペシャリストとの協業をご検討ください。MOKO TechnologyのPCBチームは、多層スタックアップやHDIスタックアップを含む複雑なスタックアップの設計において豊富な経験を有しています。当社は、すべての電気的要件を満たす、コスト効率が高く製造可能なスタックアップの設計を支援いたします。
