PCBスタックアップデザイン: 基本から高速信号の最適化への包括的なガイド

 

現代の電子設計で, プリント基板 (プリント基板) スタックアップデザインは、回路のパフォーマンスを決定する重要な要因の1つです, 信頼性, コスト. 特に、レイヤーの数が4を超える場合, スタックアップ設計は、信号の完全性に影響するだけではありません, 電磁互換性 (EMC), そして熱管理だけでなく、製造コストとプロセスの複雑さにも直接影響を与えます. この記事は、基本的な概念から始まります, の核となる原則を掘り下げます プリント基板 スタックアップデザイン, 材料の選択, および高速信号最適化戦略, 設計プロセス中にエンジニアがより多くの情報に基づいた決定を下すのを支援する.

PCBスタックアップデザインの基礎

PCBスタックアップとは何ですか?

PCBスタックアップとは、銅に覆われたコアの複数の層を積み重ねるプロセスを指します (コア), プリプレグ (プリプレグ, ppとして略されました), 特定のシーケンスの銅箔, その後、積分された積分を形成するためにラミネートされます 多層回路基板 構造. スタックアップデザインのコアは、信号層の合理的な割り当てにあります, パワーレイヤー, 電気性能を満たすための地上層, 機械的強度, コスト管理要件.

シングルまたは 二重層ボード, スタックアップデザインは比較的簡単です, 通常、適切な銅で覆われたボードの厚さと銅重量の選択のみを必要とします. しかし, 4つ以上のレイヤーでマルチレイヤーボードを設計するとき, スタックアップデザインは複雑で重要になります. 例えば, 16層ボードのスタックアップ設計は、信号の完全性を考慮する必要があります, インピーダンス制御, EMCシールド, 熱管理, その他の要因.

スタックアップデザインの重要な材料

• 銅に覆われたコア (コア): 絶縁基質で構成されています (エポキシ樹脂など, グラスファイバー) そして銅箔, 機械的サポートと電気断熱材を提供します.
• プリプレグ (プリプレグ): エポキシ樹脂を含浸させたグラスファイバー布で作られています, 層間結合と断熱に使用されます.
• 銅箔: 導電性トレースを形成するために使用されます, 0.5ozの一般的な厚さ (18μm), 1オンス (35μm), そして2オンス (70μm).

PCBスタックアップデザインのコア原則

レイヤー割り当てと信号の完全性

多層PCBを設計するとき, レイヤーの数は、最初に回路スケールとEMC要件に基づいて決定する必要があります. 通常, 信号層, パワーレイヤー, 地上層は、信号のクロストークと電磁干渉を減らすために交互に配布する必要があります. 例えば, 高速信号用, a “gnd/signal/gnd” クロストークカップリングを最小限に抑えるために、スタックアップの組み合わせをお勧めします.

• ストリップライン: 重要な高速信号に適しています, 2つの地上飛行機の間に信号線が挟まれている場合, 優れたシールドを提供します.
• マイクロストリップ: 非クリティカルな高速信号に適しています, 信号線が外層にある場所, 柔軟なルーティングを提供しますが、シールドが劣ります.

インピーダンス制御

インピーダンス制御は、の中心的な側面の1つです 高速PCB設計. 一般的なシングルエンドインピーダンスは50Ωです, 差動インピーダンスは100Ωです. インピーダンスの不一致は、信号反射を引き起こす可能性があります, ねじれ, および放射, 信号の完全性に影響を与えます. インピーダンス制御の重要なパラメーターには含まれます:

• トレース幅と間隔: インピーダンスに影響する主要な要因.
• 誘電率: 誘電率が低い材料は、信号の遅延と損失を減らすのに役立ちます.
• 銅の厚さ: 内側の信号層は通常、0.5オンスの銅の厚さを使用して正確なエッチング要件を満たしています.

EMCデザイン

EMC設計の目標は、電磁干渉を減らすことです (エミ) 干渉防止機能を強化します. いくつかの基本原則には含まれます:

• 隣接する電力と地上層: 放射電流を保護しながら、層間容量を電力平滑化コンデンサとして利用する.
• 電力または地上層に隣接するルーティング層: フラックスキャンセルを介して干渉を減らします.
• シールド層としての地上飛行機: コモンモードのRF干渉を抑制し、高周波電力の分布インピーダンスを減らす.

高速PCBスタックアップ設計の最適化戦略

材料の選択

高速PCBには、損失が低い材料が必要です (Df) 低誘電率 (DK). 一般的なFR-4材料は、ほとんどのアプリケーションに適しています, しかし、高速シナリオの場合, PanasonicのMegtron4/6シリーズなどの高性能材料が推奨されます. 例えば, Megtron6は、28Gbpsでわずか0.85dB/インチの信号損失を示します, FR-4の損失は最大2dB/インチです.

グラスファイバー効果と銅箔の粗さ

• グラスファイバー効果: さまざまなグラスファイバー布の織物スタイルは、信号特性に影響します. グラスファイバー効果を軽減します, 最小化された樹脂窓でグラスファイバータイプを選択するか、zig-zagルーティング方法を使用します.
• 銅箔の粗さ: 高速信号設計で, 銅箔の表面粗さは、信号伝達に影響します. その影響は5GHz以下で最小限ですが、10GHzを超える大幅になります.

熱管理

高速PCBには、多くの場合、消費電力が高くなります, 熱管理を重要にする. いくつかの最適化戦略には含まれます:

• 高い熱伝導率材料の選択: 金属ベースの基質など (アルミニウムまたは銅).
• サーマルパッドとバイアスの設計: 熱伝導効率を改善します.
• 地上飛行機と銅の注入領域の増加: 熱散逸機能を強化します.

PCBスタックアップ設計の実用的なアプリケーション

16-レイヤーボードスタックアップデザイン

例として16層のボードを撮影します, 典型的なスタックアップ構造は次のとおりです:

1. 最上層 (信号層)
2. 地上層
3. 信号層
4. パワーレイヤー
5. 信号層
6. 地上層
7. 信号層
8. コアレイヤー
9. 信号層
10. 地上層
11. 信号層
12. パワーレイヤー
13. 信号層
14. 地上層
15. 信号層
16. 下層 (信号層)

この構造は、高速信号のインピーダンス制御要件を満たしながら、交互に信号と接地層を分散することにより、クロストークと電磁干渉を効果的に削減します.

構造設計を介して

で HDI PCB, ブラインドバイアスと埋もれたバイアスは、ルーティングスペースを最適化するために広く使用されています. しかし, これらは構造を介して製造の困難とコストを増加させます. したがって, 構造を介して設計中に簡素化する必要があります, スルーホールバイアスの優先順位付けなど (PTH).

結論

PCBスタックアップデザインは、材料の選択を含む複雑で重要なタスクです, レイヤー割り当て, インピーダンス制御, EMCデザイン, および熱管理. 合理的なスタックアップデザインを通じて, コストを効果的に制御しながら、サーキットのパフォーマンスと信頼性を改善できます. 高速PCB設計用, 低損失材料の選択, グラスファイバー効果と銅箔の粗さを最適化します, そして、熱管理を強化することは、信号の完全性と安定性を確保するための鍵です.

あなたが初心者であろうとベテランのエンジニアであろうと, PCBスタックアップ設計のコア原則と最適化戦略を習得することは、電子製品の設計を成功させるための強固な基盤を築くでしょう.