多層PCBの設計：8つのステップ

多層PCBは特殊なタイプのプリント回路基板です。その用途は通常、非常に特殊です。例えば、回路基板に多層PCBが使用されています。この種の多層基板は、機械がさまざまな回路を接続するのに役立ちます。さらに、絶縁の役割も果たし、電気の干渉を防ぎ、絶対的な安全性を確保します。比較的優れた性能を持つ多層PCBを使用するには、慎重な設計が不可欠です。次に、多層PCBの設計方法について説明します。

プリント基板には、他の構成部品との整合や組み立てという課題があります。そのため、基板の形状やサイズは、 プリント回路基板 製品全体の構造に基づいて決定する必要があります。ただし、生産技術の観点からは、可能な限りシンプルな形状が望ましいです。一般的には、アスペクト比が大きすぎない長方形が採用され、組み立てが容易になり、生産効率が向上し、人件費も削減されます。

層数については、回路性能、基板サイズ、回路線路密度などの要件に応じて決定する必要があります。多層プリント基板では、4層基板と6層基板が最も広く使用されています。例えば、4層基板は2つの導体層（部品面とはんだ付け面）、1つの電源層、1つのグランド層で構成されています。

多層基板の各層は対称構造であるべきであり、銅箔層数は4層、6層、8層など偶数層とするのが最適です。非対称積層は基板表面の反りの原因となる可能性が高いため、特に表面実装型の多層基板では注意が必要です。

部品の位置と配置方向は、まず回路原理の観点から、回路の方向に合わせて検討する必要があります。配置が適切かどうかは、プリント基板の性能に直接影響します。特に高周波アナログ回路の場合、部品の位置と配置に関する要件はさらに厳しくなります。

部品の適切な配置は、ある意味ではプリント基板設計の成功を既に示唆しています。したがって、プリント基板のレイアウトを計画し、全体のレイアウトを決定する際には、回路原理を詳細に分析する必要があります。まず、特殊な部品（大規模IC、高出力トランジスタ、信号源など）の配置を決定し、次に干渉を引き起こす可能性のある要因を回避しながら、他の部品を配置します。

一方、プリント基板全体の構造の観点から見ると、部品の不均一で無秩序な配置は避けるべきです。これはプリント基板の外観を損なうだけでなく、組み立てやメンテナンス作業にも大きな不便をもたらします。

一般的に、多層プリント基板の配線は回路機能に応じて行われます。外層に配線する場合は、はんだ付け側の配線を多くし、部品側の配線を少なくする必要があります。これは、プリント基板のメンテナンスとトラブルシューティングに役立ちます。干渉を受けやすい薄くて密な導体と信号線は、通常、内層に配置されます。大面積の銅箔は、内層と外層に比較的均一に分布する必要があります。これにより、基板の反り度合いが低減され、電気めっき中に表面のコーティングがより均一になります。形状加工中にプリント導体が損傷するのを防ぎ、機械加工中の層間短絡を回避するために、内層と外層の配線領域の導体パターンと基板の端との距離は、50 ミルより大きくする必要があります。

多層ボードの配線では、電源層、グランド層、信号層を分離して、電源、グランド、信号間の干渉を減らす必要があります。プリント回路基板の隣接する層の配線は、層間結合と基板の干渉を減らすために、可能な限り互いに垂直にするか、斜めまたは曲線の経路を取り、平行にしないでください。また、導体は可能な限り最短経路を取る必要があります。特に小信号回路の場合、配線が短いほど抵抗が小さくなり、干渉が少なくなります。方向を変えるときは、同じ層の信号線が鋭角に曲がらないようにする必要があります。導体の幅は、回路の電流とインピーダンスの要件に応じて決定する必要があります。電源入力ラインは広く、信号ラインは比較的狭くすることができます。一般的なデジタルボードの場合、電源入力ラインの幅は50〜80ミル、信号ラインの幅は6〜10ミルにすることができます。

導体幅: 0.5、1、0、1.5、2.0;
許容電流：0.8、2.0、2.5、1.9;
導体抵抗：0.7、0.41、0.31、0.25;

配線時には、導体が急激に太くなったり細くなったりしないように、線幅をできるだけ一定に保つように注意する必要があります。これはインピーダンス整合に役立ちます。

多層基板における部品のドリル穴のサイズは、部品のリードピンのサイズと関連しています。ドリル穴が小さすぎると、部品の挿入やはんだ付けに支障をきたします。一方、ドリル穴が大きすぎると、はんだ付け時にはんだ接合部が十分に満たされません。一般的に、部品の穴の直径とパッドサイズの計算方法は以下のとおりです。

部品穴径 = 部品リードピン径（または対角線） + (10 – 30 ミル)
部品パッド径 ≥ 部品穴径 + 18 ミル

ビアホール径は、主に完成基板の厚さによって決まります。高密度多層基板の場合、一般的には基板厚さ：ビアホール径≦5：1の範囲内に制御する必要があります。ビアホールパッドの計算方法は以下の通りです。

ビアホールパッド（VIAPAD）径 ≥ ビアホール径 + 12 ミル

多層プリント基板には、少なくとも20つの電源層と80つのグランド層があります。プリント基板上のすべての電圧は同じ電源層に接続されているため、電源層は分割して絶縁する必要があります。分割線の幅は通常XNUMX～XNUMXミルです。電圧が高いほど、分割線は太くなります。

はんだ穴と電源層およびグランド層との接続部では、信頼性を高め、はんだ付け時に大面積の金属熱吸収によって引き起こされる誤ったはんだ付けの発生を減らすために、接続パッドは一般に花形の穴形状に設計されています。

分離パッド径 ≥ ドリル穴径 + 20 ミル

安全クリアランスの設定は、電気安全の要件を満たす必要があります。一般的に、外層導体の最小クリアランスは4ミル以上、内層導体の最小クリアランスは4ミル以上である必要があります。配線が許容できる場合は、クリアランスを可能な限り大きくすることで、基板製造時の歩留まりを向上させ、完成した基板の潜在的な欠陥を低減します。

多層プリント基板の設計においては、基板全体の耐干渉性にも配慮する必要があります。一般的な手法としては、以下のようなものがあります。
a. 各 IC の電源とグランドの近くに、通常 473 または 104 の容量を持つフィルタ コンデンサを追加します。
b. プリント基板上の敏感な信号については、それぞれに付随するシールド線を追加し、信号源の近くでの配線をできるだけ少なくするようにしてください。
c. 適切な接地点を選択します。

多層PCBの設計方法はご理解いただけたかと思います。しかし、このような多層基板のパラメータがどのようなものかご存じない方もいらっしゃるかもしれません。多層PCBの最小開口径は通常0.4mmで、これは必須の設計です。多層PCBを設計する際には、その厚さとサイズを電子機器に適した範囲に調整する必要があります。大きすぎても小さすぎてもいけません。表面処理を施す際には、電気金めっき法を選択する必要があります。そうでないと、絶縁性が失われる可能性があります。