PCB を設計する際に考慮すべき最も基本的な問題の 1 つは、回路機能の要件を実装するために必要な配線層、グランド プレーンと電源プレーン、およびプリント基板の配線層、グランド プレーンと電源をどの程度実装するかです。層の数と回路機能、信号の完全性、EMI、EMC、製造コスト、その他の要件のプレーンの決定。
ほとんどの設計では、PCB の性能要件、目標コスト、製造技術、システムの複雑さに関して多くの矛盾する要件が存在します。PCB の積層設計は、通常、さまざまな要因を考慮した後の妥協的な決定です。高速デジタル回路やウィスカー回路は通常、多層基板を使用して設計されます。
カスケード設計の 8 つの原則を次に示します。
1. D剥離
多層 PCB には、通常、信号層 (S)、電源 (P) プレーン、およびグランド (GND) プレーンがあります。電源プレーンとグランド プレーンは通常、セグメント化されていないソリッド プレーンであり、隣接する信号線の電流に適切な低インピーダンス電流リターン パスを提供します。
ほとんどの信号層は、これらの電源層またはグランド基準面層の間に配置され、対称または非対称の帯状線路を形成します。多層 PCB の最上層と最下層は通常、コンポーネントと少量の配線を配置するために使用されます。配線による直接放射を減らすために、これらの信号の配線は長すぎてはなりません。
2. 単一の電力基準面を決定します。
デカップリング コンデンサの使用は、電源の完全性を解決するための重要な手段です。デカップリング コンデンサは PCB の上部と下部にのみ配置できます。デカップリング コンデンサ、はんだパッド、およびホール パスの配線は、デカップリング コンデンサの効果に重大な影響を与えるため、設計では、デカップリング コンデンサの配線をできるだけ短く、幅を広くし、ホールに接続するワイヤを考慮する必要があります。それもできるだけ短くしてください。たとえば、高速デジタル回路では、PCB の最上層にデカップリング コンデンサを配置し、高速デジタル回路 (プロセッサなど) に第 2 層を電源層として、第 3 層を割り当てることができます。信号層として、第 4 層が高速デジタル回路のグランドとして使用されます。
さらに、同じ高速デジタル デバイスによって駆動される信号ルーティングがリファレンス プレーンと同じ電源層を取り、この電源層が高速デジタル デバイスの電源層であることを保証する必要があります。
3. マルチパワー基準面の決定
マルチパワー基準面は、電圧が異なるいくつかの固体領域に分割されます。信号層がマルチパワー層に隣接している場合、近くの信号層の信号電流は不十分なリターン パスに遭遇し、リターン パスにギャップが生じます。
高速デジタル信号の場合、この無理なリターンパス設計は重大な問題を引き起こす可能性があるため、高速デジタル信号の配線は多電源リファレンスプレーンから離す必要があります。
4.複数の接地基準面を決定する
複数のグランド基準面 (接地面) は、良好な低インピーダンス電流リターン パスを提供し、コモンモード EMI を低減できます。グランドプレーンと電源プレーンは密結合する必要があり、信号層は隣接する基準プレーンに密結合する必要があります。これは、層間の媒体の厚さを減らすことで実現できます。
5. 配線の組み合わせを合理的に設計する
信号経路がまたがる 2 つの層を「配線の組み合わせ」と呼びます。最適な配線の組み合わせは、リターン電流が 1 つの基準面から別の基準面に流れるのを回避し、代わりに 1 つの基準面のある点 (面) から別の基準面に流れるように設計されます。複雑な配線を完成させるためには、配線の層間変換が避けられない。信号が層間で変換されるとき、リターン電流が 1 つの基準面から別の基準面にスムーズに流れるようにする必要があります。設計では、隣接する層を配線の組み合わせとして考慮するのが合理的です。
信号パスが複数の層にまたがる必要がある場合、複数の層を通るパスはリターン電流にとって斑点がないため、通常、それを配線の組み合わせとして使用するのは合理的な設計ではありません。スルーホールの近くにデカップリングコンデンサを配置したり、基準面間の媒体の厚さを薄くしたりすることでバネを小さくすることができますが、これは良い設計とは言えません。
6.配線方向の設定
同一信号層上で配線方向を設定する場合は、ほとんどの配線方向が一致し、隣接する信号層の配線方向と直交するようにする必要があります。例えば、ある信号層の配線方向を「Ｙ軸」方向とし、隣接する他の信号層の配線方向を「Ｘ軸」方向とすることができる。
7.A偶数層構造を採用
設計された PCB 積層から、古典的な積層設計は奇数層ではなくほぼすべて偶数層であることがわかります。この現象はさまざまな要因によって引き起こされます。
プリント回路基板の製造プロセスから、回路基板内のすべての導電層がコア層上に保存されていることがわかります。コア層の材料は通常、コア層を完全に使用する場合、両面クラッド基板です。 、プリント基板の導電層は均一です
偶数層のプリント基板にはコスト上の利点があります。メディア層と銅クラッディングがないため、PCB 原材料の奇数層のコストは PCB の偶数層のコストよりわずかに低くなります。ただし、ODd層PCBはコア層構造プロセスに基づいて非標準の積層コア層接着プロセスを追加する必要があるため、ODd層PCBの処理コストは偶数層PCBのプロセスコストよりも明らかに高くなります。一般的なコア層構造と比較して、コア層構造の外側に銅クラッドを追加すると、生産効率が低下し、生産サイクルが長くなります。ラミネートの前に、外側コア層に追加の処理が必要となるため、外側層に傷がついたり、エッチングミスが発生したりするリスクが高まります。外側の取り扱いが増えると、製造コストが大幅に増加します。
多層回路ボンディングプロセス後にプリント基板の内層と外層が冷却されると、ラミネート張力の違いによってプリント基板に異なる程度の曲がりが生じます。また、基板の厚さが増すと、2 つの異なる構造を持つ複合プリント基板を曲げる危険性が高まります。奇数層のプリント基板は曲がりやすいですが、偶数層のプリント基板は曲がりを避けることができます。
プリント基板の電源層数が奇数、信号層数が偶数の場合は、電源層を追加する方法を採用できます。もう 1 つの簡単な方法は、他の設定を変更せずにスタックの中央にグランド層を追加することです。つまり、PCB は奇数の層で配線され、中間にグランド層が二重化されます。
8. コストの考慮
製造コストの観点から見ると、多層回路基板は同じ PCB 面積の単層および二層回路基板よりも明らかに高価であり、層が増えるほどコストも高くなります。しかし、回路機能の実現や基板の小型化を考慮すると、シグナルインテグリティ、EMI、EMCなどの性能指標を確保するために、可能な限り多層基板を使用する必要があります。全体として、多層回路基板と単層および二層回路基板のコスト差は予想より大きくありません。