高速高密度 PCB 設計、パワーインテグリティにおける新たな課題

回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーは、信号の完全性から電力の完全性への移行という、高速で高密度の PCB 設計が新たな課題に直面していると説明しています。

高速で高密度な PCB 設計の課題に直面している設計者は、ツールだけでなく、設計方法、概念、およびプロセスも変更する必要があります。

電子製品の機能の複雑化と性能の向上に伴い、プリント回路基板の密度と関連コンポーネントの周波数が上昇しており、エンジニアが直面している高速かつ高密度の PCB 設計によってもたらされる課題。も増えています。

競争の激化に伴い、メーカーは製品の発売時期についてますます大きなプレッシャーに直面しています。高度な EDA ツールと最適化手法およびプロセスを使用して、高品質かつ効率的に設計を完成させる方法は、システムメーカーと設計エンジニアが直面しなければならない問題になっています。

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ホットスポット: シグナルインテグリティからパワーインテグリティへの移行

高速設計に関して、人々が最初に考えるのはシグナルインテグリティです。シグナルインテグリティとは、主に信号線上の信号伝送の品質を指します。回路内の信号が、必要なタイミング、持続時間、および電圧振幅で受信側のチップピンに到達できる場合、その回路は良好なシグナルインテグリティを備えています。信号が正常に応答できない場合、または信号品質がシステムを長期間安定して動作させることができない場合、信号の完全性の問題が発生します。シグナルインテグリティは、主に遅延、反射、クロストーク、タイミング、発振などの側面で表されます。一般に、システムが 50MHz で動作する場合、シグナルインテグリティの問題が発生すると考えられています。システムとデバイスの周波数が高くなるにつれて、シグナルインテグリティの問題がより顕著になります。コンポーネントと PCB ボードのパラメータ、PCB ボード上のコンポーネントのレイアウト、高速信号の配線、およびその他の問題は、シグナルインテグリティの問題を引き起こし、システムの動作が不安定になったり、完全に故障したりする可能性があります。

数十年にわたる開発の後、シグナルインテグリティテクノロジの理論と解析方法は比較的成熟しています。シグナルインテグリティについては、Chen Lanbing 氏は、シグナルインテグリティは誰かの問題ではないと考えています。これには、設計チェーンのすべてのリンクが含まれます。システム設計エンジニア、ハードウェアエンジニア、PCB エンジニアだけでなく、製造において無視することもできません。シグナルインテグリティの問題を解決するには、CADence の SPECTRAQuest などの高度なシミュレーションツールを使用する必要があります。これは、設計の初期段階でモデル化とシミュレーションを行うために使用でき、後の段階でレイアウトと配線をガイドするための制約ルールを形成します。設計効率を向上させます。今年6月にギガヘルツ信号用のケイデンスのエミュレータMGHが導入されたことで、数秒で数万のBITギガヘルツ信号を完了することができる業界初のエミュレータであり、シグナルインテグリティ技術が向上しました。

シグナルインテグリティと比較すると、パワーインテグリティは比較的新しいテクノロジであり、高速で高密度の PCB 設計における最大の課題の 1 つと見なされています。パワーインテグリティとは、高速システムにおいて、PDS パワーデリバリーシステムが異なる周波数で異なるインピーダンス特性を持つことを指します。これにより、PCB 上のパワーレイヤーとストラタム間の電圧が回路基板のあらゆる場所で異なり、不連続な電力が発生します。電源、電源ノイズ、および正常に動作しないチップ障害。同時に、高周波放射により、パワーインテグリティの問題も EMC/EMI 問題を引き起こします。パワーインテグリティの問題をうまく解決できない場合、システムの通常の動作に深刻な影響が及びます。

一般に、パワーインテグリティの問題は、回路基板のスタック設計とレイアウトを最適化することと、デカップリングキャパシタンスを増やすことの 2 つの方法で解決されます。システム周波数が 300~400MHz 未満の場合、デカップリングコンデンサは周波数、フィルター、およびインピーダンス制御を抑制することができます。適切なデカップリングコンデンサを適切な位置に配置すると、システムの電源の完全性の問題を軽減するのに役立ちます。ただし、システム周波数が高い場合、デカップリングコンデンサの効果はほとんどありません。この場合、パワーインテグリティの問題は、回路基板の層間隔設計、レイアウトと配線、または電源とグランドノイズを低減するためのその他の方法 (電力伝送の反射問題を低減するための適切なマッチングなど) を最適化することによってのみ解決できます。システム)、EMC/EMI を抑制しながら。

シグナルインテグリティとパワーインテグリティの関係について、Chen Lanbing 氏は次のように考えています。パワーインテグリティは、シグナルインテグリティと似ている面もあります. パワーインテグリティは、技術者の高度なスキルを必要とし、高速設計の新たな課題です. ボードレベルだけでなく、チップおよびパッケージレベルも含まれます. 電源の整合性は、シグナルインテグリティのソリューションに基づいている必要があります。ケイデンスのパワーインテグリティツール PI が市場に導入され、多くの顧客の設計に使用されていることが報告されています。