1.スタックアップ設計の基本原則
全体として、スタックアップ設計は2つのルールに従わなければならない：
- 各配線層は、近くに参照層がなければならない。参照層はパワープレーンでもグランドプレーンでもよい。.
- 主電源プレーンとグランドプレーンをできるだけ近づける。そうすることで、カップリング容量が大きくなる。.
以下は、2層基板から8層基板までのスタックアップ例である。.
2.PCBレイヤー数によるスタックアップスキーム
2.1 1層基板と2層基板のスタックアップ
2層基板の場合、層数は少ない。スタックアップの問題は、多層基板と同じようには存在しない。EMI放射の制御は、配線とレイアウトから行わなければならない。.
単層 や2層基板では、EMC問題が深刻化している。主な原因は、信号のループ領域が大きくなることだ。ループ面積が大きいと輻射が強くなるだけでなく、回路が外部ノイズの影響を受けやすくなる。EMCを改善するには、主要信号のループ面積を小さくするのが最も簡単な方法だ。.
キーシグナル：EMCの観点から見ると、主要な信号とは、強い放射を出す信号と外部ノイズに敏感な信号である。強い放射を起こす信号は通常、周期的な信号である。クロックや低次のアドレス信号などがこれにあたる。ノイズの影響を受けやすい信号は、通常、低レベルのアナログ信号である。.
単層および二層基板は、通常 10 kHz 以下の低周波アナログ設計に使用される。以下の基本ルールを守ってください：
- できる限り、同じレイヤーに放射状に電源を配線すること。トレースの総延長はなるべく短くする。.
- パワートレースとグラウンドトレースを互いに近づける。キーとなる信号の隣にグラウンドトレースを置く。そのグラウンドトレースは、できる限り信号の近くに置く。そうすることで、ループ面積が小さくなります。ループエリアが小さいと、コモンモード輻射が少なくなり、信号が外部ノイズの影響を受けにくくなります。グラウンドトレースを信号の横に置くと、小さなループが信号のリターン電流を引き寄せます。信号電流はこの小さなループを通り、他のグラウンド経路を通りません。.
- 両面ボードの場合、ボードの反対側に、信号トレースのすぐ下に幅の広いグラウンド・トレースを配置する。このグラウンド・トレースはできるだけ広くする。こうすることで、基板の厚さ×信号の長さに等しいループ領域ができる。.
2.2 4層ボードのスタックアップ
一般的な4層スタックアップには以下のようなものがある：
- SIG - GND（またはPWR） - PWR（またはGND） - SIG
- GND - SIG（またはPWR） - SIG（またはPWR） - GND
これらのスタックアップのいずれについても、標準的な基板厚1.6mm（62mil）には潜在的な問題がある。層間の間隔が大きくなる。間隔が大きいと、インピーダンス、レイヤーカップリング、シールドの制御が難しくなる。特に、電源プレーンとグランドプレーンの間隔が大きいと、基板静電容量が低下する。基板静電容量が低いと、ノイズのフィルタリングに不利である。.
最初のスタックアップの場合（SIG - GND/PWR - PWR/GND - SIG）
基板上に多くのチップがある場合によく使われる。このスタックアップは良好なシグナルインテグリティを提供する。EMI性能はそれほど良くありません。慎重な配線やその他の詳細によってEMIを制御する必要があります。.
重要なポイント
- グランドプレーンを、配線が最も密集している信号層の隣に置く。これは、放射を吸収し、低減するのに役立ちます。.
- ボードの面積も増やす。20Hルールに従う。.
第2スタックアップ（GND - SIG/PWR - SIG/PWR - GND）の場合
チップ密度が低く、チップ面積に電源用銅箔のスペースがある場合に使用される。この設計では、外側の層はグランドプレーンであり、内側の2つの層は信号または電源である。幅広のトレースで信号層にパワーを配線する。幅の広いトレースは、電力経路のインピーダンスを低くし、マイクロストリップ信号のインピーダンスを低くする。外側のグランド層は、内側の信号の放射を遮蔽することができる。EMI制御の観点からは、これは現在入手可能な最良の4層PCB構造である。.
重要なポイント
- 内側の2つのミックスドシグナルレイヤーとパワーレイヤーの間隔を大きく保つ。.
- クロストークを避けるため、これらの層間で配線方向を直交させる。.
- ボードエリアをコントロールし、20Hルールに従う。.
- 配線インピーダンスをコントロールする必要がある場合は、電源とグランドの銅アイランドの下に注意深くトレースを配置する。.
- また、電源層やグランド層には、できるだけ銅パウ ンドを接続するようにしてください。こうすることで、直流と低周波の接続がよくなります。.
2.3 6層ボードのスタックアップ
チップ密度が高く、クロック速度が速い設計の場合は、6層基板を検討すること。推奨される 6 層スタックアップは以下の 2 つである：
オプション1：SIG - GND - SIG - PWR - GND - SIG
この方式では、良好なシグナルインテグリティが得られる。各シグナルレイヤーはグランドプレーンの隣にある。電源プレーンとグランドプレーンは対になっている。各配線層のインピーダンスをうまくコントロールできる。どちらのグランドプレーンも磁束をよく吸収できる。パワー・プレーンとグランド・プレーンをフルに使えば、各シグナル・レイヤーは良好なリターン・パスを持つ。.
オプション2：GND-SIG-GND-PWR-SIG-GND
このオプションは、デバイス密度がそれほど高くない基板に適合する。最初のオプションの利点はそのままである。また、上下のグランドプレーンはより連続的である。これらは良いシールドとして機能する。.
注：電源プレーンは、主部品面でない側に配置する。そうすれば、ボトムプレーンはより完全なものとなり、EMI性能は最初のオプションよりも向上する。.
6層基板のまとめ：
電源プレーンとグランドプレーン間の距離をできるだけ小さく保つ。これにより、良好なパワー-グランド結合が得られる。62 mil の基板厚では、レイヤー間隔は 4 レイヤーオプションよりも小さくなる。それでも、主電源とグランドの間隔を非常に小さくするのは容易ではない。2番目のオプションに比べて、1番目のオプションはコストが低い。そのため、実用的なスタックアップには最初の形態を選択することが多い。設計にあたっては、20Hルールとミラーレイヤルールに従うこと。.
2.4 8層ボードのスタックアップ
8層基板には多くのスタックアップが考えられる。吸収が悪く、電源インピーダンスが大きいため、EMIに悪いものもある。ここでは3つの形態を説明する：
Aタイプ（良くない）
この形式は、電磁波吸収率が低く、電力インピーダンスが大きい。その層順は
- 信号1：コンポーネント側、マイクロストリップ配線層
- 信号2：内側マイクロストリップ配線層、良好な配線層（X方向）
- グラウンド
- 信号3：ストリップライン配線層、良配線層（Y方向）
- 信号4：ストリップライン配線層
- パワー
- 信号5：内側のマイクロストリップ配線層
- 信号6：マイクロストリップ配線層
この形式は、すべての信号レイヤーに対して一貫したリファレンスが得られないため、良い選択とは言えない。電源インピーダンスが高く、EMI制御が弱い。.
タイプB（リファレンス層を追加したバリアント）
これは第3のタイプの変形である。基準レイヤーを追加することで、より優れたEMI性能を得ることができる。各信号層の特性インピーダンスをうまくコントロールすることができる。可能な順序のひとつは
- 信号1：コンポーネント側、マイクロストリップ配線層、良好な配線層
- グラウンド：波の吸収が良い
- 信号2：ストリップライン配線層、良好な配線層
- パワー：このパワー・プレーンとその下の地面は、良好な電磁波吸収を形成している。
- グラウンド：グラウンドプレーン
- 信号3：ストリップライン配線層、良好な配線層
- パワー：このパワー・プレーンはパワー・インピーダンスが大きい。
- 信号4：マイクロストリップ配線層、良好な配線層
タイプC（ベストプラクティス）
これは最高のスタックアップ形式である。複数のグラウンド基準プレーンを使用します。これにより、非常に優れた電磁波吸収が得られる。一般的な順序は
- 信号1：コンポーネント側、マイクロストリップ配線層、良好な配線層
- グラウンド：波の吸収が良い
- 信号2：ストリップライン配線層、良好な配線層
- パワー：このパワー・プレーンとその下の地面は、優れた電磁波吸収を形成している。
- グラウンド：グラウンドプレーン
- 信号3：ストリップライン配線層、良好な配線層
- グラウンド：第2グラウンドプレーン、波吸収に優れる
- 信号4：マイクロストリップ配線層、良好な配線層
3.レイヤー数とスタックアップの選び方
多くの要因に基づいて層数と積層形態を選択する。基板上の信号ネット数、部品密度、ピン密度、信号周波数、基板サイズなどです。これらすべてを合わせて検討してください。.
デザインノート
- 信号ネットが多い場合は、レイヤーを増やして設計する。.
- 部品密度が高い場合は、より多くのレイヤーを選択する。.
- ピン密度が高い場合は、より多くのレイヤーを選択する。.
- 信号周波数が高い場合は、より多くのレイヤーを選択する。.
- 良好なEMI性能を得るためには、各信号レイヤーがそれぞれ基準レイヤーを持つようにする。基準レイヤーは、グランドでもパワーでもよい。これにより、インピーダンスを制御し、タイトなリターンパスを得ることができる。タイトなリターン・パスはループ面積を下げる。ループ面積が小さくなると、放射が減少し、干渉に対する感度が低下する。.
4.すべてのデザインで守るべきシンプルなルール
- 各配線レイヤーに、近くに基準プレーンを与える。これはインピーダンスとリターン電流の制御に役立つ。.
- できる限り電源プレーンとグランドプレーンを対にする。間隔を狭くしてください。これにより、プレーン・キャパシタンスが増加する。プレーン・キャパシタンスが大きいとノイズが減少する。.
- グランドプレーンを、配線が密集している信号層の隣に置く。これは、放射を吸収し、止めるのに役立ちます。.
- クロストークを低減するために、隣接する信号レイヤーに直交配線を使用する。.
- 混在レイヤーの電源配線には幅広のトレースを使用し、電源経路のインピーダンスを低く保つ。.
- 強力なDCと低周波接続を得るために、電源とグランドプレーンに銅を流し込む。.
- ボード面積を設定する際は20Hルールに従い、ミラーレイヤーのデザインルールを念頭に置いてください。.
- 高速または高密度設計では、6層または8層の基板を使用し、各信号層が近接したリファレンスを持つことができるようにする。.
- 低周波のアナログ設計の場合、ループ領域を小さくし、グラウンドを信号の近くに配置すれば、1層または2層の基板でも機能する。.
- できる限り、内側の電源プレーンとグランドプレーンを近づける。これにより、デカップリングが改善され、EMIが減少します。.
5.クロージング・ノート
スタックアップの選択はシステムトレードだ。ネット、レイアウト、部品配置、ピン数、周波数のすべてを一度に見てください。より良い EMI と信号制御のために、各信号レイヤーに明確な近傍リファレンスを与える。可能であれば、ペアプレーンを使用し、プレーン間隔を狭くしてください。多層基板では、電磁波吸収に最適な複数のグランドプレーンを使用してください。設計時には、コストと性能のバランスをとること。上記のシンプルなルールに従い、ボードのニーズに合ったスタックアップを選択してください。.
