高速信号インテグリティのためのPCBルーティング技術トップ3

プリント基板（PCB）設計は電気エンジニアの仕事に不可欠ですが、完璧なPCBを設計するのは決して容易ではありません。完璧なPCBは、部品選定と配置の合理性だけでなく、高い信号伝導性からも生まれます。本稿では、PCB高速信号回路設計におけるルーティング技術の知識を紹介・展開し、皆様のエンジニアリング業務の一助となれば幸いです。

多層基板ベースのPCBルーティング

PCB設計時、多くのエンジニアは多層基板を用いて高速信号ルーティングを完了したがります。このタイプの多層基板はPCBの核心であると同時に、回路干渉を低減する能力もあり、エンジニアが直面するこの問題の主要な解決法となっています。多層基板の利用に基づきPCB上で高速信号回路を設計する際、エンジニアは層数を合理的に決定して基板サイズを縮小し、中間層をシールド設定に最適活用してニアグランドを実現し、これらにより寄生インダクタンスを効果的に低減、信号伝送長を短縮、信号間のクロストーク干渉を低減できます。これらすべての方法は高速信号回路の信頼性に非常に有益です。

上記の多層基板によるPCB信号伝送信頼性向上法に加え、権威あるデータでは同一材料使用時、4層基板の発生ノイズは2層基板より20dB低いことが示されています。リードの曲げについては、曲げが少ないほど良く、全線直線が最適です。曲げが必要な場合は45度線またはアーク線を使用し、高速信号からの外部放射と相互結合を抑制し、放射と反射の両方を低減できます。

高速回路内の部品間リードピンを可能な限り短く

PCB高速信号回路設計とルーティングのプロセスでは、エンジニアは高速回路内の部品間リードピンを可能な限り短くする必要があります。リードが長いほど分布インダクタンスと分布容量の両方が大きくなり、高速回路で反射と発振を引き起こすためです。

高速回路内の部品間リードピン短縮に加え、各高速回路上の部品リードピン間の層間切り替えもルーティングプロセスで短縮すべきです。つまり、部品接続プロセスでのスルーホールを可能な限り少なくすることを意味します。一般的に、1つのスルーホールは約0.5pFの分布容量をもたらし、これが明らかに回路遅延の増加を招きます。同時に、高速回路ルーティングプロセスでは、信号線の近距離平行配線によるクロストーク干渉を十分考慮する必要があります。平行配分を回避できない場合、平行信号線の背後に大面積グランドを設けて干渉を抑制します。隣接する2層では、配線方向を垂直にする必要があります。

特に重要な信号線やローカル部分へのグランド囲み

PCBルーティング設計プロセスでは、エンジニアは特に重要な信号線やローカル部分にグランド囲みを利用することを推奨します。クロック信号や高速アナログ信号など、干渉を受けにくい信号のルーティング時に保護用グランドワイヤーを周囲に追加し、保護対象の信号線を中央に配置します。これはあらゆる種類の信号ルーティングがループを形成できず、グランドワイヤーも同様だからです。しかし、ループルーティング回路が生じると、システムに大きな干渉が発生します。信号線をグランドワイヤーで囲んでルーティングする利点は、ルーティングプロセスでループを効果的に回避できることです。各集積回路ブロックの近くに1つまたは複数の高周波デカップリングコンデンサを配置することを推奨します。アナロググランドワイヤーまたはデジタルワイヤーを共通グランドワイヤーに接続する際は、高周波チョークリンクを使用すべきです。一部の高速信号線には特別な処理が必要です。たとえば、差動信号は同一層上で可能な限り平行ルーティングに近い形で配線する必要があります。差動信号線の間に他の信号を挿入してはならず、各線長は同一にする必要があります。

上記の方法に加え、PCB信号ルーティング設計時、エンジニアは高速信号配線の分岐やスタブ形成を避けるべきです。高周波信号線を表層に配置すると比較的大きな電磁放射が生成されるため、高周波信号線は電源層とグランド層の間に配置し、電源からの電磁吸収と底層により生成放射を高レベルで低減すべきです。

もちろん、実践的プロジェクトでは理論が実践に先立つことはありません。PCBルーティング設計における私の経験をいくつか共有したいと思います。まず、あなたがPCBの唯一のルーティング設計者でない場合、ルーターの設計をチェックするために十分な時間を確保してください。わずかな予防は大量の修正より優れています。ルーターがあなたの考えを理解すると期待するのは愚かです。あなたのアドバイスと指示がルーティング設計の初期段階で最も重要です。より多くの情報を提供し、設計により深く関わるほど、より良いPCBが得られます。良い方法として、PCB設計エンジニアに暫定完了ポイントを設定し、ルーティング手順があなたのステップに厳密に従って開始されるようにできます。この方法はクローズドループのようなもので、ルーティングが軌道から外れず、手戻りの可能性を最小限に抑えられます。

ルーティングエンジニアに提供すべき指示には：回路機能の簡単な説明；入出力箇所をラベル付けしたPCBスケッチ；厚さ、層数、各信号層とグランドプレートの詳細情報などのPCB層情報；各層が必要とする信号タイプ；重要部品の配置場所要件；バイパス部品の具体的場所；プリントラインの重要性；インピーダンス制御プリントラインを必要とする回路の重要性；マッピング長を必要とする回路；部品サイズ；距離や近接を必要とするプリントライン、回路、部品；トップまたはボトムに配置する部品タイプ。

参考リソース

• 高速レイアウトのヒント
• EMI影響を低減する高速PCBルーティング技術
• 組み込み応用システムにおける高速PCB設計の研究
• 信号インテグリティにおける高速PCB設計課題と解決策
• 高速PCBレイアウトにおける信号反射抑制法
• 高速デジタル・アナログ混在回路における信号インテグリティ解析とPCB設計
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応