PCB設計における有効なPCB配線幅と間隔

PCB 設計における効果的な PCB 配線幅と間隔

PCB 設計者になる利点の 1 つは、PCB レイアウトで配線できることです。 Tetris や Candy Brush が誕生するずっと前から、ルーティングはデザイナーに固有の問題をもたらしてきました。 その方法は、マウスのメッシュ接続のネスティングを解除して、きれいな配線回路基板を作成することです。 回路基板上の配線は非常に意味のある成果かもしれませんが、設計の大規模化と複雑化に伴い、非常に複雑になります。

今日の PCB レイアウトでは、各ネットワークが異なる固有の配線特性を持っている場合があり、設計どおりに動作させるために適用する必要があります。 配線できる特定の領域または層に加えて、さまざまな PCB 配線幅と間隔のルールを管理する必要があります。

これらは、今日の設計者が回路基板をルーティングする際に直面する課題の一部であり、必要なルールと制約に従って適切にルーティングするために使用できるいくつかの方法です。

今日の PCB 配線技術がもたらす課題

一度、プリント回路基板上の配線はかなり簡単なプロセスです。 配線にはデフォルトの幅と間隔が割り当てられていますが、ビアを接続する電源およびグランド ワイヤ接続の幅を広げる必要があります。 必要なその他の配線幅は最小であり、配線中に配線幅を手動で変更することで簡単に処理できます。 しかし、回路基板技術の発展に伴い、線幅と間隔の要件はより複雑になっています。

現在、任意のボードで、次の一部またはすべてが表示される場合があります。

幅と間隔を指定したインピーダンス制御配線。 繊細な高速ケーブルは、他のケーブルから大きな間隔で分離する必要があります。 アナログ ルートには、異なるデフォルト幅の間隔要件がある場合があります。 電源とグランドの接続には、より広い配線が必要です。 回路によっては電源の配線幅が複数ある場合があります。 アナログ ルートとデジタル ルートを互いに分離するために、これらの間に追加のスペースを確保する必要があります。

回路機能に基づくこれらの配線幅と間隔の要件に加えて、それらの場所に応じて、異なる幅と間隔の要件が存在する場合があります。 それらのいくつかは次のとおりです。

コネクタでは、非常に狭い間隔でピン間を蛇行させるために、ネットワークがより狭い配線幅を使用する必要がある場合があります。 クワッド フラットパック (QFP) やスモール アウトライン パッケージ (SOP) などのファイン ピッチ コンポーネントでは、エスケープ配線の配線幅を縮小する必要がある場合があります。 ボール グリッド アレイ (BGA) は、カプセル化されたピンとビアをラップするために配線幅を縮小する必要がある場合もあります。

PCB 配線のもう 1 つの部分は、レイヤ間の移行用のビアです。 回路基板が粘着テープと手押し車を使用して手作業で配置されていた場合、設計者は Exacto ナイフを手に取り、ビア パッドをトリミングして配線を押し出すだけで済みます。 しかし、今日の PCB 設計 CAD システムでは、より正確な方法が必要です。 設計者は、さまざまなタイプとサイズのスルー ホールのアレイを使用してルーティングします。

スルー ホールは、次の 3 つのタイプに分類されます。

スルーホール、止まり穴、埋め込み穴、マイクロ

スルー ホールは、回路基板設計で使用される標準的なスルー ホールです。 それらは機械的に穴を開けられ、回路基板全体を通り抜けます。 止まり穴または埋め込み穴も機械的に開けることができますが、それらは回路基板を部分的にしか通過せず、内部層で開始および停止することもあります。 これらの貫通穴は、プレートを積層する前に、プレートの層に穴を開けて位置合わせする必要があるため、より多くの製造ステップが必要です。 マイクロ ビアはレーザーで作成されるため、機械的な穴あけよりもはるかに小さくすることができ、通常は基板の 2 層のみにまたがります。 これらは、より小さな配線とビアを必要とするパッドおよび高密度相互接続 (HDI) 設計のスルー ホール アプリケーションに最適です。

これらは、複雑なプリント回路基板を配線する際に設計者が直面する課題の一部です。 次に、幅と間隔の要件の具体例をいくつか詳しく説明します。

PCB 配線の幅と間隔は、回路基板にさまざまな影響を与えます。 使用する幅と間隔の値を決定するときは、次の 4 つの側面を考慮する必要があります。

電気的性能と信号の完全性

回路基板上のほとんどのデジタル配線では、ルーティングの幅と間隔としてデフォルト値が使用されますが、一部のネットワークでは異なるサイズが必要です。 たとえば、制御されたインピーダンス ネットワークは、レイヤー スタックの構成に従って、配線幅を計算する必要があります。 機密性の高い高速配線では、クロストークやその他のシグナル インテグリティの問題を防ぐために大きな間隔値が必要になる場合があります。

回路の目的によっては、アナログ配線にも独自の配線幅と間隔が必要になる場合があります。 場合によっては、デフォルトの配線幅を狭く狭い領域で減らすことができますが、回路基板全体に拡張しないように注意する必要があります。 配線が非常に細く、PCB 製造中に損傷を受けると、回路基板全体のシグナル インテグリティが損なわれる可能性があります。

電源およびアース配線

電源とグランドを配線する配線は、より多くの電流を流すために太くする必要があります。 トレースが細かすぎると、熱くなったり、燃え尽きたりすることさえあります。 熱を放散するために、回路基板の内層にある電源配線も、外層にある電源配線よりも幅を広くする必要があります。これは、空気にさらされるとより冷却が行われるためです。 電源回路に使用される配線は、電流を処理し、回路内のインダクタンスとノイズを減らすために、それらをできるだけ短く太くすることが重要です。 電源間のアーク放電を防ぐために、大電流を流すワイヤの間隔を広げることが重要です。

回路基板製造

トレースが広いほど、製造が容易になります。 製造エッチング プロセスは、長く孤立したトレースに大きな影響を与えるため、可能であれば幅を広くすることをお勧めします。 20 ミルのランは、3 ミルのランよりも金属損失の許容度が高くなります。 トレース幅は、回路基板層を構成するために使用される銅の重量にも依存します。 プレートのこの層がより高い電流要件のためにより大きな銅重量を必要とする場合、製造業者はその上により細かい配線幅をエッチングできない場合があります。

回路基板の組み立て

配線の幅が広すぎると、PCB アセンブリ中のコンポーネントの溶接が困難になります。 電源と接地グリッドに使用される幅の広い配線は、ラジエーターとしても機能し、加熱が不均一になり、はんだ接合が不十分になる可能性があります。 一方のパッドの広い金属領域ともう一方のパッドの細いワイヤを接続する小さな 2 つのピン部品は、バランスが崩れている可能性があり、最終的にはリフローはんだ付け中にアセンブリが引き上げられます。 この現象は「トゥームストーン ボンビング」と呼ばれ、修正のために回路基板を手作業で再加工する必要があります。 BGA の下にある大量の金属も溶接中に問題を引き起こしますが、プレート上の BGA のサイズにより、これらのエラーを見つけるのはより困難です。

正しい配線幅と間隔が維持されていないと、あらゆる潜在的な問題が発生する可能性があるため、PCB レイアウト エンジニアは可能な限りの支援が必要です。 幸いなことに、設計ツールには、この問題の解決に役立つユーティリティが含まれています。

電力ネットワークの配線幅について、設計ルールと制約が設定されています。

設計規則と制約

おわかりのように、今日の PCB レイアウトでは、さまざまな配線幅と間隔を管理する必要があります。 これらには、個々のネットワーク、ネットワーク グループ (バス)、および電力と接地ネットワークの幅と間隔の割り当てが含まれます。 さらに、割り当てごとに正しいビアを使用する必要があり、場合によっては、単一のネットワークまたはグループに割り当てる必要がある値のセットが複数存在することがあります。 PCB 設計ツールは、設計ルールと制約管理システムを使用してこのタスクを処理します。

PCB 設計 CAD ツールが誕生して以来、利用可能な制御量は限られていたため、設計ルールと制約はかなりの進歩を遂げました。 上記の制約管理システムでは、スプレッドシート スタイルのインターフェイスを使用して、さまざまなルールと制約を設定できます。 ご覧のとおり、ネットワークにはさまざまな配線幅が割り当てられています。 このメニューを右にスクロールしたい場合は、割り当てなどでトレース間隔の設定を見つけることもできます。

この制約管理システムにより、設計者は設計したトラッキング ルーティング ルールを完全に制御できます。 さらに、これらのシステムは、信号のタイミング、コンポーネントの間隔、はんだペーストやスクリーン印刷の製造可能性設定など、他の設計値を制御します。

今日の CAD ツールは、ルールと制約の管理を提供するだけでなく、より多くの機能も提供します。 でも; 幅広い配線ツールがあり、設計者の効率向上にも役立ちます。

PCB 設計ツールのすべての機能を機能させる

PCB レイアウトには多くのネットがあり、これらのネットには異なる配線方法が必要ですが、これらすべてのネットを手動で配線する必要はなくなりました。 設計ツールには複数のトラッキング ルーティング機能があり、これが役に立ちます。 たとえば、Cadence Allegro のルーティング機能を例にとると、次のような多数のルーティング補助機能とツールが設計者に提供されます。

手動でルーティングするときに最適なチャンネルを表示する視覚的な合図。 ヘッズ アップ ディスプレイは、配線時に配線制約を追跡します。 プッシュ、プッシュ、ハグ、スライドのオプションは、手動でルーティングするのに役立ちます。 落書きルーティング機能を使用すると、ルートを手動でスケッチし、自動エンジンにルートを大きくルーティングさせることができます。 コンター ルーティング機能を使用すると、任意の角度でベンド トラックを作成できます。 タイミング機能を使用すると、ルートにトラッキング調整セグメントを追加および編集できます。 自動配線エンジンは、ファンアウトによって単一のトレースを追加するか、回路基板全体を完全に配線できます。 自動インタラクティブ ルーティングは、自動ルーターの最終決定のためにネットワーク バンドルを手動で編成および操作するために使用されます。 クリーニング用のライト トレースの追加や、パッドとトレースの接合部にティア ドロップを追加して制御性を高めるなど、ルーティング クリーニング機能。 PCB 処理工場は、PCB 設計の効果的な PCB 配線幅と間隔を説明し、分析しました。