PCB配線の経験則

今日でも、20 年前に一般的だった PCB 配線の経験則がいくつかあります。それらはまだ広く観察され、適用されていますか？正確な答えは「たぶん」です。 PCB 設計フォーラムでの配線に従う/回避するためのいくつかの規則により、PCB 設計者はこれらの規則が適用されない場合にこれらの規則を遵守または無視することができます。場合によっては、これが必ずしも回路基板設計の失敗につながるとは限りません。一部の経験豊富な PCB 設計者が言ったように、回路基板は偶然に正常に動作することがあります。

PCB 設計の経験則に関する議論は、それらが正しいか間違っているかを意味するものではありません。問題は、これらの議論がアプリケーションとの関連性を欠いていることが多いことです。これにより、フォーラムで言及されたルールの議論も長くなります。この記事では、これらのルールが適用されるシナリオ、異なるルールが適用される場合、および正確な解釈を避ける場合を明確にすることを望んでいます。

PCB wiring rules of thumb

PCB配線の一般的な経験則

1.縦配線

垂直配線のルールは、相互インダクタンスによるクロストークを減らすために、隣接する信号層のリードが互いに垂直である必要があるということです。高周波信号では、容量結合によって生成されるクロストークが主な成分であり、垂直リード間に電流スパイクを生成します。

信号の経時変化や周波数が低い場合（数GHz以下）、隣接する信号層の縦配線素子のカップリング容量干渉は小さい。無線周波数 (RF) の周波数帯域 (数十 GHz) では、リードを織り交ぜることで穴の共振が発生し、アース線に囲まれていない導体構造が特定の周波数ポイントで電磁共振を発生させます。このとき、リードが垂直であってもリード間に強いクロストークが発生します。

すべての周波数ポイントで干渉を排除するために、簡単で効果的な方法は、信号層間に多層基板と絶縁層を使用することです。これは、現代の高速信号変化のアプリケーションにおいて特に重要です。直交ライン間の結合強度が不明な場合は、基本的なクロストークシミュレーションソフトウェアを使用して垂直方向のリードをチェックし、それらの間のクロストークがノイズ許容範囲内にあるかどうかを確認する必要があります。この時点で、信号のリターンパスを計画する必要があります。これは、垂直ケーブル配線の大きな問題です。

2. 熱放散

これは、しばしば論争を引き起こす古典的な「観察/回避」ルールです。一部の PCB 設計者は、放熱ビアを使用したことがなく、溶接や組み立てで問題に遭遇したことはないと述べています。別のグループは、各プレーンが接続されているときに放熱ビアが使用されないようにすることを主張しました。彼らは誰が正しいですか？

彼らの見解は、さまざまな場面に当てはまります。回路基板を手動で溶接する場合は、はんだ付けビアによる銅層の放熱によるはんだ付けの問題を補償するために、はんだ付けヘッドの温度を上げる必要があります。ただし、ウェーブはんだ付けを使用する場合は、デバイスの緩み、冷間圧接、直立などを防ぐために放熱防止ビアを使用する必要があるため、放熱防止ビアの設計に固執することをお勧めします。

3. 直角配線

この PCB 配線規則は、おそらく最も愛され、嫌われています。今日でも、多くの PCB 設計者が、さまざまな理由でいつでも配線を直角に曲げることができないと主張しているのを目にします。たとえば、電子がリードの中を移動するときに直角に曲がることは難しいと彼らは言いますが、回路基板上のすべてのビアがリードに対して垂直であるとは考えていません。より信頼できる理由もいくつかあります。たとえば、リードの長さは 45 ° のコーナーで短くすることができ、すべての直角ターン配線は面取りが必要です。また、直角に回すと回路基板の酸エッチング液に酸エッチングトラップが発生すると言われていますが、現在広く使用されているアルカリエッチング液では問題ありません。

基板が50GHz以上の高周波（ミリ波レーダー・5G通信を含む）回路で動作しない限り、リード線が直角になる心配はありません。実際、回路基板を配線するときは、好きな角度でリード線を配置できます。電磁界解析機能を内蔵した基板設計ソフトを使えば、配線が楽になります。

4.「3W」ルール

つまり、3 つの経験則があります。「3W ルール」の最初のバージョンでは、リード間の磁束結合を減らし、リード間の電磁干渉を減らすために、隣接する 2 つのリード間の間隔をリード幅の 3 倍以上にする必要があると述べています。

この規則は、リード間の電磁結合が、リード間の距離ではなく、リード回路の重なり合う面積に比例することを忘れている可能性があります。したがって、リード回路のオーバーラップ領域が減少し、リード間隔は 3W ルールによって制限されません。前の垂直配線と同様に、基本的な電磁干渉シミュレーションでは、さまざまな配線間隔の影響を確認できます。

「3W」ルールの別のバージョンは、リードの長さを一致させるためにジグザグ配線を使用する場合、ジグザグ幅がリード幅の 3 倍以上である必要があることを示しています。これにより、リードインピーダンスの不連続性を最小限に抑えることができます。

5.「20H」ルール

このルールは、PCB のグランドワイヤ層と電源層の間のオーバーラップ距離を定義します。最新の PCB 設計では、電源をグランドワイヤの近くに配置して、それらの間に十分な層間容量を確保し、高速回路基板の電力変動を低減する必要があります。

しかし、実際の測定結果は、結果が非常に複雑であることがわかります。いくつかの結果標準名は、300MHz で 20H 規則に従うことによって電磁放射を減らすことができます。ただし、アース線と電源層の間で高周波共振が発生します。それらの構造は導波管に似ており、線路間の高周波干渉を悪化させます。

したがって、実際のアプリケーションでは、回路周波数が GHz 以内であれば、20H ルールに従うことができます。