PCB 配線ルール: 重要な配線幅、間隔、および製造上の選択

私たちの工場で目にするすべての配線済みボードは、それが到着する前に行われた決定についての物語を伝えています。回路図は電気的機能を定義しますが、その機能が妥当なコストで、現実的なリードタイム内で、そして長年の熱、振動、電圧ストレスに耐えられる十分なマージンを持って製造できるかどうかは配線によって決まります。 PCB メーカーとしての私たちの経験では、トレースの焼け、クリアランスの失敗、パネルの歪み、めっきの不良など、予防可能な製造上の問題のほとんどは、見落とされたり誤解されたりした少数の配線ルールに遡ります。この記事では、プリント基板の配線に実際に関係するもの、最も重要なパラメータ、工場が実際に議論なく構築できる配線制約の設定方法について説明します。

PC ボードの配線に実際に関係するもの

ルーティングは、回路図内のすべての電気ネットが物理的な銅線パスになるレイアウト手順です。ソフトウェアはこれらのパスを自動的に描画できますが、結果は設計者が提供する制約（トレース幅、導体間の間隔、許容される層、ビアの種類、エッチングおよびメッキのプロセスで確認される銅の分布）によって決まります。

このルートは、現実世界で設計を行うためのグランド基準面、電源アイランド、熱パスも作成します。コンポーネントを配置すると、パーツが配置される場所が決まります。ルーティングは接続方法を決定します。この 2 つのうち、配線の方が製造コストと歩留まりに大きな影響を及ぼします。これは、配線の形状と銅のバランスが工場でのパネルのエッチング、メッキ、ラミネートの方法に直接影響するためです。

トレース幅: 最初のルート決定

トレース幅は、電流容量、電圧降下、特性インピーダンスという 3 つの要件を一度に満たすため、最初に設定する数値です。信号トレースは細い場合があります。パワーネットには断面が必要です。ほとんどの工場で使用されている基準は IPC-2221 です。外層に 1 オンス (35 µm) の銅があり、温度が 10°C 上昇した場合の推定電流容量はおおよそ次のとおりです。

実際には 2 つの修正が重要です。内部層のトレースは外部トレースの約半分の熱を放散するため、それに応じて現在のテーブルの定格を下げる必要があります。そして、これらの値は 10°C の緩やかな上昇を想定しています。周囲の筐体が空気の流れを妨げたり、周囲温度が高い場合、安全電流はさらに低下します。設計で継続的に大電流を流す必要がある場合、配線には単一の狭い配線ではなく、銅の流し込み、プレーン、またはより厚い銅層を使用する必要があります。当社のラインでは定期的に 2 オンスから 10 オンスの厚さの銅基板を配線していますが、これらの重量のトレース幅テーブルは上記の 1 オンスの値とは大きく異なります。

クリアランスと間隔: 設計ルールのチェックのためだけでなく、電圧のためにも設定してください

クリアランスとは、2 つの銅フィーチャ間の距離 (トレースからトレース、トレースからパッド、パッドからビア) です。デザイン ルール チェックでは、CAD ツールに入力された数値が検証されますが、正しい数値は、デフォルトのルールではなく、電圧、信号整合性、工場出荷時の能力に基づいて決定されます。密閉型製品内の低電圧信号ネットの場合、トレース間の間隔は 0.1 mm (4 mil) であるのが一般的です。当社の標準能力は 4 ミルですが、設計密度が必要な場合は 3 ミルのトレースとスペースを保持できます。

クリアランスは単一のグローバル値であってはなりません。動作電圧、汚染度、コーティング、高度、過渡電圧はすべて、製品に必要な沿面距離に影響を与えます。 IPC-2221B には、コンプライアンス エンジニアが使用する間隔対電圧の表が含まれています。実際的なルールとして、50 V を超える電圧を伝送するネット、またはボードの端近くに配線されたトレースは、デフォルトのデザイン ルールよりも大幅に大きいクリアランスを使用する必要があります。

高速信号の場合、間隔によって結合とインピーダンスの両方が制御されます。整合した差動ペアは、2 つのトレース間のギャップが一定のままであり、その下の基準面が絶対的なクリアランス値よりも重要である場合にのみ、そのターゲット インピーダンスを保持します。 RF 回路の場合、50 Ω トレースは、その幅、誘電体の厚さ、およびその下のグランド プレーンまでの距離によって定義されます。

レイヤのスタックアップ: 配線密度がコストとリードタイムを増大させる

レイヤの数は、デザインにおける配線上の最大の決定事項です。 2 層で密度に対応できる場合、6 層の積層はお金の無駄になります。設計で継続的な電源プレーンとグランド プレーン、厳密なインピーダンス制御、または高密度の BGA ファンアウトが必要な場合、スタックアップは 4 層、6 層、またはそれ以上の層に移行します。 2 層から 4 層に移行すると、内層のイメージング、ラミネート、位置合わせ、および追加のドリル手順がルートに追加されるため、プロセス コストが約 2 倍になります。リードタイムは層数とともに増加します。広徳経済開発区にある当社の施設で公開されている層数別の生産リードタイムは次のとおりです。

ルートはスタックアップを設定し、スタックアップは配送日を設定します。外側の信号層が適切に使用されていないため、設計に必要な層が 12 層のみである場合、よりクリーンな 4 層のルートがほんのわずかな時間で到着するでしょう。当社の工場は 1 ～ 32 のレイヤーを構築しており、パターンは一貫しています。効率的なルーティングにより、特急料金よりも確実にリード タイムが短縮されます。

DFM ルール: 工場でのエッチング、プレート、ラミネートの配線方法

ネットリストと信号チェックに合格したルートでも、工場現場では失敗する可能性があります。基板はエッチング、穴あけ、メッキ、プレス加工する必要があり、各プロセスには幾何学的制限があります。次のルールは、最も一般的な繰り返し失敗を防止します。

銅の残高と窃盗

層の 1 つの領域がしっかりと流し込まれ、別の領域がほぼ空の場合、めっきの厚さが不均一になり、積層がパネルに歪みをもたらす可能性があります。適切な配線では、銅がすべての層に分散されます。それが不可能な場合は、泥棒ブロックまたはクロスハッチングされた銅を追加します。当社の CAM チームはツーリング中にシービングを追加しますが、バランスのとれた配線されたデザインはレビューをより速く通過し、プレートをより均一にします。

ビアと環状リング

すべてのビアには環状リングが必要です。これは、バレルとトレースを接続する、ドリル穴の周囲の銅製リングです。リングが小さすぎると、ドリルの位置ずれにより接続が切断されます。標準的な加工では、最小 4 ミル (0.1 mm) の環状リングが安全な作業ルールです。ブラインドビアと埋め込みビアは、高密度設計の層数を減らしますが、ビアの種類ごとに穴あけと積層の手順が追加されます。 BGA の下に便利なパッド内ビアには、充填と追加のメッキが必要です。マイクロビアを備えた HDI ボードは別のプロセス ファミリを形成し、当社の HDI ラインでは 25 日以内に納品されます。

サーマルレリーフ

スルーホールパッドが大きな銅の流し込みに接続すると、その流し込みははんだ付け中にヒートシンクとして機能します。熱緩和スポークがないと、パッドははんだ付け温度に達しない可能性があります。電流定格が許す限り、サーマル リリーフを備えたプレーン接続パッドを配線します。

ファイルを送信する前に実行する実際的なルーティング チェックリスト:

• 一般的な負荷ではなく、持続的なワーストケースの電流に応じて電力トレースと注入をサイズ設定します。
• ネットクラスごとのクリアランス ルールを使用します。高電圧、高速、および一般的な信号ネットが同じ間隔を必要とすることはほとんどありません。
• 各レイヤーの銅の分布を適度に均一に保ち、ほとんど空のレイヤーにシービングを追加します。
• ルートを最終決定する前に、最小トレース/スペース、最小アニュラー リング、最小ビア ドリル サイズを工場に確認してください。
• すべての高速ルートまたはインピーダンス制御されたルートの下に固体の基準面を配置します。

配線ルールを変える材質と表面仕上げ

基板と仕上げは、電気回路と同様にルーティングパラメータを変更します。標準の FR-4 は、一般的なデジタルおよびアナログ基板を適切に処理します。高 Tg FR-4 は、厚い多層基板での CAF 障害に耐性があり、自動車エレクトロニクスでは一般的です。ハロゲンフリー FR-4 は環境要件を満たしています。 RF や高速デジタルには Dk と Df を制御した高周波積層板が使用されており、50 Ω 線路に必要な配線幅は材料ごとに異なります。

メタルコア基板（アルミニウムまたは銅ベース）は基板を通して熱を伝導するため、電源回路はより狭いルートを使用できますが、メタルコアの穴あけとエッチングは異なる設計ルールに従います。当社の製品範囲には、OSP、鉛フリー HASL、浸漬金、浸漬錫などの表面仕上げを備えた、FR-4、高 Tg、ハロゲンフリー、高周波、アルミニウム ベース、銅ベース、およびセラミック ベースの基板が含まれます。仕上げの選択は主にはんだ付け性と保存寿命に影響するため、後付けとして扱うのではなく、組み立てプロセスに合わせて選択する必要があります。

ものづくりを念頭に置いたルート

ルーティングでは、設計が物理的なオブジェクトになり、そのオブジェクトが工場によって判断されます。予定どおりに出荷され、確実に動作するボードが、賢い自動ルーター設定の産物であることはほとんどありません。これらは、電流に合わせてサイズ設定されたトレース幅、電圧に合わせて設定されたクリアランス、密度に合わせて選択されたスタックアップ、および最初のレイアウト パスから考慮された DFM の詳細の積です。疑問がある場合は、早めに問い合わせてください。当社の工場からの両面プロトタイプは 24 時間以内に完成し、1 回の高速反復コストは、間隔エラーのために電気テストに不合格となる 16 層バッチよりもはるかに安価です。スタックアップの推奨事項、DFM レビュー、または 1 ～ 32 層の配線済み基板の見積もりが必要な場合は、当社のエンジニアリング チームが具体的にお答えできる体制を整えています。