埋め込みコンポーネントを使用して設計

従来の回路基板設計では、基板の上面と下面に部品を配置してきました。この方法は基板実装業者で広く対応しており、通常は自動マウンターで各部品を配置し、表面にはんだ付けする準備を整えます。電子製品の小型化と高集積化に対する需要がますます高まる中、機器内部の信号の高周波化も相まって、回路の製造と実装をより良い方法で行うための研究が続けられています。

高密度化と高周波信号への対応向上を両立する手法の1つが、回路構造の層内に部品をembedすることです。たとえば、集積回路の直下にディスクリート部品を内蔵すると、信号配線長の短縮、 抵抗と寄生インダクタンスの低減が可能になり、ノイズやEMIの低減、 回路のシグナルインテグリティの向上につながります。こうした改善により、より高速な信号と広い帯域幅に対応する、小型で信頼性の高い製品を実現できます。また、製造プロセスや技術の継続的な進歩と組み合わせることで、製品の小型化に加え、基板製造コストや基板実装コストの削減にもつながります。

部品の内蔵には、設計から製造、実装、完成品のテストと保守に至るまで、 各工程で通常とは異なるさまざまな要件への対応が求められます。

部品を内蔵するには

部品の内蔵によって、回路基板の製造方法は大きく変わります。ベアボードを製造し、その後の実装工程でベアボードに部品を搭載する、という単純な工程の区分がなくなるためです。この2つの工程は、必要なプロセスや技術が大きく異なるため、従来は別々の企業が担当することが一般的でした。内蔵部品を使用する場合は、基板の製造工程中に部品を取り付ける必要があります。かつては専門性の高い基板メーカーに限られていましたが、現在ではプロセスへの理解が進み、部品内蔵基板を製造できるメーカーは数多くあります。

部品を内蔵する方法には2通りあります。1つは開放型キャビティを設け、その中に部品を配置して、完成した基板でも部品が見えるようにする方法です。もう1つは、製造中に内層に部品を配置し、その後、上層を積層する際に部品を覆って、完成した基板では見えないようにする方法です。

部品内蔵基板の製造にはさまざまな方法があります。以下の説明と画像では、その一例を示します。

1. まず両面銅張りのリジッドコアを用意し、必要に応じて銅箔層のエッチングと穴あけを行います。
2. 両面にプリプレグと銅箔の層を積層し、必要に応じてエッチングとレーザー穴あけを行います。
3. この層の片面または両面に、たとえばはんだペーストの塗布とリフロー処理によって、内蔵部品を実装します。
4. 各内蔵部品のキャビティとなる開口を設けたプリプレグ層を追加します。
5. 両面にプリプレグと銅箔の外層を積層し、必要に応じてエッチング、レーザー穴あけ、スルーホール穴あけを行います。

  基板はビルドアップ技術を使用して製造され、その工程の一環として内蔵部品の配置と封入が行われます。
基板の下側にある内蔵部品への接続に、レーザー加工されたマイクロビアが使用されている点に注目してください。

内蔵部品を使用した設計

PCBエディターでは、従来の上面や下面の信号層だけでなく、任意の信号層に部品を配置できます。他の層で覆われる内側の銅箔層に配置された部品を、内蔵部品と呼びます。部品を内蔵する方法には、次の2通りがあります。

• ユーザー定義のキャビティを設け、部品の周囲に必要なクリアランスを確保します。
• 0201などの小型パッケージではキャビティを設けず、後続の層を追加する際に部品をそのまま封入します。この場合、完成した基板の各部品位置に膨らみが生じます。

部品にキャビティが必要な場合、そのキャビティを基板内部に完全に閉じ込めることも、基板の片側まで延ばして開口部を設けることもできます。下の画像には3つの内蔵部品が示されており、両端の2つはキャビティが基板上面に開口するように定義されています。中央の部品はより下の層に配置されているため、完全に封入されています。設計者にとって、部品の配置手順は開放型キャビティでも密閉型キャビティでも同じです。

3つの内蔵部品。両端の2つの部品のキャビティは基板表面に開口しており、中央の部品は完全に内蔵されています。

この部品は完全に内蔵されています。画像をわかりやすくするため、部品の輪郭を青色、キャビティの輪郭をオレンジ色で強調表示しています。

PCBライブラリ部品でのキャビティの定義

内蔵する部品にキャビティが必要な場合は、PCBライブラリエディターで部品フットプリントの一部としてキャビティを定義します。キャビティを追加しても、その部品を表面層で使用できなくなるわけではありません。表面層で使用する場合、ソフトウェアはキャビティを無視します。

キャビティを定義するには、次の手順を実行します。

1. メカニカルレイヤーにリージョンオブジェクトを配置します。各側面に十分なクリアランスを確保し、部品の3Dボディを囲むように配置してください。必要なクリアランスについては、基板メーカーに確認してください。
2. リージョンオブジェクトを編集し、Kind属性をCavityに設定します。
3. Layer属性に適切なメカニカルレイヤーが設定されていることを確認します。
4. Cavity Height属性に適切な高さを設定します。通常は、3Dボディの高さに基板メーカーが推奨するクリアランスを加えた値にします。

下の画像はPCBライブラリエディターを示しており、次のものが表示されています。

• Mechanical 15レイヤー上で選択されている、緑色のキャビティ定義。
• 部品パッドの赤い輪郭。
• コンデンサーの2つのパッドと本体を定義する、紫色で塗りつぶされた3Dボディオブジェクト。

キャビティは、メカニカルレイヤーにリージョンオブジェクトを配置し、その種類をキャビティに設定して、Cavity Heightを必要なキャビティ深さに設定することで定義します。
紫色で塗りつぶされた領域は、キャビティ内に収まる3Dボディです。

内蔵部品の配置と向きの設定

部品を内蔵するには、部品のプロパティを編集し、Layerを目的の内層銅箔層に設定します。内蔵部品の向き（上向きまたは下向き）は、レイヤースタックマネージャーでその銅箔層に指定したOrientationによって決まります。

Propertiesパネルで、部品のレイヤーを設定します。

レイヤースタックマネージャーで、各信号層に配置する部品の向きを設定します。

キャビティとレイヤースタックの相互関係

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PCBライブラリエディターで定義するキャビティには、高さ属性があります。この高さによって、部品が配置される銅箔層の表面から上方に、ソフトウェアがすべての層を除去する距離が決まります。

キャビティと、それによって切り抜かれる層との関係を単純化するため、ソフトウェアは層が部分的に切り抜かれた状態にならないようにします。キャビティが誘電体層などの層に入り込んでいても、その層を完全には貫通していない場合、ソフトウェアはキャビティを自動的に拡張し、その層を完全に貫通させます。

下の画像は、この動作を示しています。キャビティの角と、部品が最後に切り抜かれた層の表面よりも低い位置に収まる様子を示すため、濃い描画線を追加しています。ただし、層の切り抜きは、その層全体を貫通しています。この動作は、内部キャビティと開放キャビティの両方に適用されます。

キャビティが層を完全に貫通していない場合、ソフトウェアはその層を貫通するようにキャビティを自動的に作成します。

埋め込み部品、サブスタック、管理対象スタック

下の画像にカーソルを合わせると、埋め込み部品を含むリジッドフレックス設計のレイヤースタックマネージャーが表示されます。リジッドフレックス設計の各ゾーンや領域は、それぞれ異なる層数で構成できます。そのためには、substacksと呼ばれる複数のスタックを定義できる必要があります。

 Rigid/Flexオプションを有効にすると、サブスタック選択ボタンが表示されます。このボタンをクリックして、各サブスタックを選択し、設定します。画像にカーソルを合わせると、フレックスサブスタックが表示されます。

部品を埋め込む場合、PCBエディターは、その埋め込み部品がレイヤースタックに与える影響を管理する必要があります。これは表示だけでなく、ソルダーマスクの開口やデザインルールチェックなどの計算データにも関わります。そのため、設計に含まれる各種埋め込み部品に必要な、配置先の層と切り抜く層の固有の組み合わせごとにスタックを作成します。これらのスタックはManaged Stacksと呼ばれます。

管理対象スタックは、部品を基板の層内に埋め込むと自動的に作成されます。自動的に作成されるため、作成や管理にユーザーの操作は必要ありません。PCBエディターは埋め込み部品を確認し、既存の管理対象スタックに適したものがあるかどうかを調べ、なければ新しいスタックを作成します。埋め込み部品を削除した場合も同様で、不要になった管理対象スタックは自動的に削除されます。PCBエディターに新しい管理対象スタックが必要かどうかを確認させるには、2Dレイアウトモードと3Dレイアウトモードを切り替えます。

ユーザースタックと同様に、管理対象スタックは、Layer Stack Regionsに設定したPCB パネルに一覧表示されます。下の画像は、2つの埋め込み部品R1とC15の管理対象スタックを示しています。この機能を使用すると、各管理対象スタックがXY平面上でどの範囲に広がっているかを確認できます。

レイヤースタックを確認すると、右側に2つの管理対象スタックが表示されています。

次のステップ

• Gerber X2およびODB++のCAD-CAM間データ交換形式は、 どちらも埋め込み部品をサポートしています。

• IPC規格の IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitryには、埋め込み部品に推奨される設計手法が詳しく記載されています。 

• PCB製造業者は、埋め込み部品などのプロセス技術に関する優れた情報源です。例えば、Wurth Electronikのウェブサイトには、埋め込み技術専用のセクションがあり、デバイスの設計ルール、銅箔の設計ルール、埋め込み設計ガイドなどの情報が掲載されています。PCBに埋め込み部品を使用する場合は、必ず製造業者に要件を確認してください。