多層回路基板のルーティング中に PCB 基準面を変更

あなたが新しい設計者であり、一般的な電子製品のいくつかのボードを見た場合、どこを見ればよいかを正確に知らなければ、それらが多層ボードであることにさえ気付かないかもしれません. 実際には、より複雑なデバイスでは、各トレースを表面層に配置することはできないため、必要な接続を行うには信号を内部層内に配線する必要があります。

複数の信号、電源、およびグランドプレーンを含む複雑な回路基板の場合、信号の完全性とリファレンスプレーンとの緊密な結合を確保するためのルーティング戦略が重要です。適切な配線ツールが使用され、設計プロセスで適切なストラテジが実装されている場合、重要なシグナルインテグリティの問題を困難に修復する必要はありません。

レイヤースタック内のレイヤー間のルート

多層 PCB が期待どおりに機能することを確認するには、正しいスタックを設計する必要があります。ラミネーションは、シグナルインテグリティ、特にボード内の EMI と外部放射 EMI に対する感度に重要な影響を与えます。これにより、ボードが製造後に EMC 検査に合格できるかどうかも決まります。

ルーティング戦略とレイヤースタックは互いに補完し合う必要があります。適切なスタッキングにより、ルーティング戦略によってシグナルインテグリティの問題が排除または最小限に抑えられます。正しい出発点は、信号層のグランドプレーンレイアウトを検討することです。各信号層は、接地面のすぐ近くに配置する必要があります。内部信号層の配線が表面層のコンポーネントに配線されている限り、表面信号層と内部信号層の間にグランドプレーンを配置する必要があります。これにより、両方の層で PCB 基準プレーンへの密結合が保証されます。

multilayer PCB

上記の配置では、信号が 1 つのグランドプレーンのみを介してルーティングされる場合、多くの信号の問題を回避できます。信号がスルーホールを通りグランドプレーンを垂直に通過すると、信号はグランドプレーンに結合されたままになり、そのリターン信号はグランドプレーンで検出されます。これにより、パス全体の間の密結合が保証され、回路のループインダクタンスが最小限に抑えられます。これにより、ケーブルの放射 EMI も約 10 dB 減少します。

同じ考え方が、電源プレーンのビア配線にも当てはまります。ただし、電源プレーンをそのグランドプレーンの近くに配置することをお勧めします。これにより、ループインダクタンスが最小限に抑えられ、EMI の影響を受けにくくなり、グランドプレーンと電源プレーンに誘導される電流も最小限に抑えられます。これにより、プレーン間の静電容量も増加し、電源プレーンで高周波伝導 EMI に対して低インピーダンスのリターンパスが提供されます。

複数の PCB ボードを介した基準面の配線

レイヤスタック内の 2 つ以上のグランドプレーンを介して配線する場合、グランドの状況はより複雑になります。この状況を以下に示します。ここでは、信号が内層から表層にルーティングされます (赤い矢印で示されているように)。

ここで、信号は、内部信号層と表面層でグランドプレーンと密結合されたままです。ただし、内部から表面への移行中に、信号がどの領域にも結合されない領域があります。 2 つのグランドプレーンの間にビアを配置して、遷移中にリターンパスを作成できます。

復路がない場合、突然 2 つの問題が発生します。まず、リターンパスは、最も近い接地要素で最小のリアクタンスで形成されます。これは通常、バイパス/デカップリングコンデンサですが、グランドプレーンに接続されたビアにすることもできます。ビアが遷移領域に強く放射すると、回路内に大きなループインダクタンスが発生します。

第 2 に、ループ領域が大きいと、相互インダクタンスによって引き起こされる外部放射 EMI およびクロストークに対する感度が高くなります。 2 つのグランドプレーン間に絶縁ルートが 1 つしかない場合、低レベルの信号が使用されている限り、EMI やクロストークの問題を心配する必要はありません。 1 つの領域でこれらの変換を複数行う場合は、プレーン間に複数のビアを配置するか、スタッキングおよび配線戦略を改善する必要がある場合があります。

ルーティング戦略を忘れないでください

スタックを設計する前に各信号ネットワークの適切な配線戦略を設計すると、表面と内部の信号層を切り替えるときに複数のプレーンを介して配線する必要がなくなります。自動ルーターを使用するときは注意してください。高品質の自動ルーターを使用すると、特定のレイヤー変換をルーティング戦略の一部として定義できるため、理想的には複数の基準面を介してルーティングする必要がなくなります。

BGA ファンアウト戦略を設計するときは、垂直配線とスタッキングの関係の 1 つの側面を考慮する必要があります。ピンの数が少ないコンポーネントの場合、ピンをコンポーネントの端に沿って 4 行に配置します (下図を参照)。シンプルなドッグボーンファンアウト戦略で十分であり、1 つのグランドプレーンを通過するだけで済みます。ピン数の多いパッケージを使用する場合、単一の信号ネットワークに 2 つ以上のグランドプレーンを使用する以外に選択肢がない場合があります。製造元のデータシートを参照し、信号の整合性の問題を防ぐために正しい接地を維持してください。多層ボードを設計し、適切な戦略を実装することで、ボードが無信号のままであることを保証します。プリント基板加工工場とプリント基板組立加工工場では、プリント基板の多層配線時にプリント基板基準面を変更する方法を説明しました。