電子機器製造業の研究開発部門の新入社員向け！基板の多層化設計とEMC（電磁干渉）対策の基礎

基板の多層化設計の基本

電子機器製造業における基板の多層化設計は、今日の技術革新において不可欠な要素となっています。
特に、デバイスの小型化、高性能化が求められる現代において、複雑な回路を収めつつ製品サイズを抑えるためには、基板の多層化が必須です。

多層基板は通常、複数の銅層と絶縁層が交互に積層されており、これにより実装密度が向上します。
これによって、設計者はより複雑な回路を限られたスペースに収め、高速なデータ伝送を実現できます。
例えば、通信機器やコンピュータのプロセッサ基板では、20層以上の多層基板が一般的に使用されています。

しかし、基板の多層化においては、いくつかの設計課題も存在します。
例えば、高密度配線は、クロストークや信号伝送の遅延といった問題を引き起こす可能性があります。
そのため、多層基板を設計する際には、層構成の他、配線長やインピーダンスのコントロール、スルビア設計なども慎重に考慮する必要があります。

多層基板の各レイヤーには、それぞれ固有の役割があります。
一般的には、「信号層」「グラウンド層」「電源層」「プレーン層」があります。

信号層は、デジタル信号やアナログ信号を伝送するための層です。
大部分の配線がここに配置されますが、その際に他の層との干渉を最小限に抑える工夫が求められます。

グラウンド層は信号の基準電位を提供する層であり、ノイズの吸収や放電経路としても重要です。
グラウンド層の配置や設計が不適切だとデバイス全体の性能に影響を与えるため、配慮が必要です。

電源層はデバイスに必要な電力を供給します。
こちらも電源にノイズが乗るとデバイスの動作が不安定になるため、十分なデカップリングと電源のネットワーク設計が求められます。

プレーン層は、通常、グラウンドまたは電源層として使われ、全体的な電気的特性や熱特性の向上を図ります。

電子機器の設計において、EMC（Electromagnetic Compatibility、電磁適合性）は非常に重要な考慮点の一つです。
現代の電子機器に求められるEMC性能とは、他の機器からの電磁干渉に耐えること、また逆に他の機器に干渉を与えないことを指します。

多数の電子部品が密集した多層基板では、小さなレイアウトの違いが意外なほど影響を及ぼすこともあります。
そのため、EMCの観点からは設計の初期段階で適切な対策を講じる必要があります。

EMC対策における基礎には、以下のポイントが挙げられます。

1. グラウンドパターンの適切な設計
グラウンドは信号の安定した基準電位を提供し、ノイズを低減する役割があります。
広い面積を持つグラウンドプレーンを設けることで、ノイズやクロストークの影響を受けにくくなります。

2. デカップリングコンデンサによる電源ラインの安定化
電源ラインにノイズが乗ると、意図しない信号の揺れや電圧低下が発生する可能性があります。
デカップリングコンデンサを設置し、ノイズや電圧変動を抑制することが重要です。

3. 層間のシールド効果
多層基板では異なる信号層間をシールド層で挟むことで、クロストークや不要電波の影響を減少させることができます。

4. 配線の短縮とインピーダンスのコントロール
信号ラインの配線は極力短くし、配線インピーダンスをコントロールすることで信号の品質を維持できます。
これにより不要な放射ノイズの低減が期待できます。