設計に行き詰まっている 2

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、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、私は「ベアボーン」製造 PCB の台頭を見ました。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です。たとえば、OSH パークでは約 90% が 2 層で、10% が 4 層です。 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。

OK、4 層スタックアップと標準の層配置を選択しました。 これで何が得られますか? まず、配電が大幅に簡素化され、改善されています。 ビアによってのみ分割されたほぼ固体のプレーンは、インダクタンスと抵抗が非常に低いため、電力品質が向上します。さらに、信号層に幅広の電力配線を取り付ける必要もありません。 VCC または GND が必要な場所ならどこでも、ドリルダウンするだけです。 外層に電源配線がなければ、信号配線のためのスペースがそれだけ多くなります。

RF または高速デジタル設計にはさらに多くの利点があります。 一般的な 2 層基板上の 50 オームの配線幅は約 110 ミルです。 上に示した 4 層積層の例では、14 ミルまで低下し、トラック幅だけで密度がほぼ 8 倍向上しました。 差動デジタル信号ペアも改善でき、この例ではフットプリントを 4 分の 1 に縮小できます。 これらの利点により、よりコンパクトでありながら配線が容易な設計が容易に得られ、基板面積と貴重な設計時間を節約できます。

4 層への移行の最大の利点のいくつかはすぐには明らかではないかもしれませんが、内側の銅層とそれぞれの外側の銅層の間の距離が小さいことには、さらに多くの利点があります。 信号トレースを電源プレーンまたはグランドプレーンに近づけると、それらの間の結合が増加し、電流リターンパスを含む信号ループ面積が減少します。 これらの要因により、放射が減少し、信号の完全性が向上します。 単なる趣味のプロジェクトであれば、排ガス試験のことは考えないかもしれませんが、販売用にデザインの認証を取得したい場合、それは重大な問題になる可能性があります。 一方、シグナル インテグリティが向上すると、高速設計が最初から成功する可能性が高くなります。

これらの利点は劇的であり、ほぼ自動的に得られるものです。 良い例として、最近 eevblog に Dave Jones が投稿したビデオでは、既存の 2 層設計である Gigatron TTL マイクロコンピュータを、既存の信号層の間に電源プレーンとグランド プレーンを追加するだけで 4 層に変更しました。 彼が PCB のノイズ テストを行ったところ、4 層バージョンからの放射は元の設計に比べて大幅に減少しました。

素晴らしいことのように聞こえますが、確かに 4 層設計にはいくつかの欠点があるはずです。 はい、しかしそれらは比較的軽微です。 まず、4 層ボードは面積あたりのコストが 2 層ボードよりも高くなります。 一般的な数値は、有鉛 HASL 仕上げの 2 層プロトタイプ グレードのサービスの非常に安価な「取引」を除いて、同等の品質のボードのコストの 1.5 倍から 2 倍です。 ただし、この指標は少し誤解を招く可能性があります。 4 層設計は、対応する 2 層バージョンよりも小さい場合があり、面積あたりのコストの差の一部が相殺されます。 PCB のコストも BOM 全体のほんの一部である可能性があるため、2 倍になっても追加コストはわずかです。

1 回限りの個人的なプロジェクトの場合、4 層スタックアップを使用すると、デザインの配線にかかる時間と労力が節約され、元が取れる可能性があります。 生産の実行を計画している場合は、後で 2 層にコストを削減できるプロトタイプだけであっても、4 層が合理的である可能性があります。 すぐに動作させて、後で最適化します。

もう 1 つの認識されている欠点は、より複雑な 4 層プロセスにより生産時間が増加することです。 最近は時代が同等になってきているので、以前はもっと問題になっていたかもしれません。 たとえば、OSH Park では、2 層注文の 90% を 8 暦日で出荷し、4 層注文の同等の割合を 9 日で出荷しており、今後数か月以内にその時間は平準化すると予想されます。 実際の配送時間と組み合わせると、このような小さな違いはまったく問題になりません。

時間とコストに加えて、4 層設計には機能上の小さな欠点がある可能性があります。 4 層基板を再加工してプロトタイプの間違いを修正することは、2 層バージョンを修正するよりも難しい場合があります。 内側の層は外側の層に非常に近いため、信号トレースを外科的に切断するときに誤ってグランドまたは電源プレーンを切断しても、余分な力はあまり必要ありません。 これにより、トレースのどちらかの側がプレーンに短絡する可能性があります。 軽く触って、顕微鏡で徹底的にチェックすることをお勧めします。 一方、何らかの理由で信号トレースを内側の層に配線した場合、ボードを再加工することはほぼ不可能になる可能性があります。これも、そこに電源プレーンを貼り付けるもう 1 つの理由です。

4 層 PCB の配線には、いくつかの新しい工夫が必要になる場合があり、少し特別な考慮が必要になります。 たとえば、上で説明した 4 層のスタックアップでは、最下層の信号は電源プレーンを参照します。 それらの戻り電流は、グランドに戻る方法を見つけるために、プレーンを通って最も近いバイパス コンデンサに流れる必要があります。 高速信号でレイヤーを頻繁に切り替える場合は、ボード上の戦略的なポイントでプレーン間に追加のバイパス コンデンサを追加して、これらのリターン パスを短縮し、信号ループ領域を小さく保つ必要がある場合があります。 利点は、これを行うには、キャップを配置し、いくつかのビアをドロップして内部プレーンに接続するだけで済むことです。

最後に、お気に入りの PCB レイアウト ツールは 4 層基板をサポートしていない可能性があります。 Eagle の無料バージョンは、Fritzing と同様に 2 つのレイヤーに制限されています。 愛好家向けのパッケージを使用する場合は、より多くのレイヤーを実行できるかどうかを確認する必要があります。 これは、私がこれまでに聞いた中で KiCAD を使い始める最も説得力のある理由かもしれません。

4 層設計がもたらすすべての利点と最小限の追加コストを考慮すると、現在または将来の設計のいずれかがステップアップすることでメリットが得られるかどうかを評価する価値があると考えられます。 個人的には、最近は 4 層のデザインから始めることが多いです。 私が 2 層を使用するのは、非常にシンプルなボードの場合、または急いで必要なときだけです。2 層の急ぎの注文は約 1 週間で受けられるためです (偶然にも通常のターンタイム 4 層と同じ価格です)。 。

4 層にとどまる理由もありません。 上位層のスタックアップへの移行についても同様の議論ができます。 特に興味深い見解については、昨年のハッカデイ スーパーカンファレンスでのケリー シャーフグラス氏の講演をご覧ください。そこで彼は、500 個の注文を 4 層から 6 層に移行するために追加の 130 ドルを費やし、推定 20 ～ 30 時間の設計時間を節約したと説明しています。 。

次のプロジェクトでも同様の節約が見られるかもしれません。 試してみる。

[OSH パークの Laen と Drew の洞察とデータに感謝します。]