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、部品を基板の表面（トップ面）と裏面（ボトム面）に実装するのが一般的でした。この工程は基板実装工場で十分に確立されており、通常は自動ピック＆プレース機で各部品を所定位置に搭載し、表面にはんだ付けできる状態にします。より小型で高集積な電子製品への需要が増え続けていること、そしてこれらのデバイス内部の信号周波数が高くなっていることが相まって、回路をより良く製造・組み立てる方法の研究が継続的に進められています。

高密度化と高周波信号への対応力向上の両方を実現する手法の一つが、回路構造の層内にembed部品を埋め込むことです。たとえば、ディスクリート部品をICの直下に直接埋め込むと、信号長が短くなり、抵抗や寄生インダクタンスが低減されます。その結果、ノイズやEMIが低減し、回路信号のインテグリティが向上します。これらの改善により、より小型で信頼性の高い製品が実現でき、より高速な信号速度とより高い帯域幅をサポートできます。さらに、製造プロセスや技術の継続的な改善と組み合わせることで、製品サイズの縮小や、製造コストおよび基板レベルの実装コストの低減にもつながります。

部品の埋め込みは、設計から製造、組み立て、完成品の試験、保守に至るまで、各工程に通常とは異なる要求を数多くもたらします。

部品はどのように埋め込めるのか？

部品の埋め込みは、回路基板の製造に大きな違いをもたらします。もはや「ベアボードを製造し、その後、組み立て工程でそのベアボードに部品を搭載する」という単純な区分ではありません。これら2つの作業は、必要とされるプロセスや技術が明確に異なるため、別々の会社が担当することも少なくありませんでした。埋め込み部品を使用する場合、それらは基板製造工程の中で基板に取り付ける必要があります。かつては高度に専門化した製造工場の領域でしたが、現在ではプロセスが十分に理解されており、埋め込み部品を含む回路を製造できるファブは数多く存在します。

部品を埋め込む方法は2通りあります。埋め込み部品が収まるようにオープンキャビティを作り、完成基板でもその部品が見える状態にする方法、または製造中に内層へ配置した後、上層を積層して覆い、完成基板では見えないようにする方法です。

埋め込み部品を含む基板の製造方法にはさまざまなアプローチがあります。以下の説明と画像は、そのうちの一例を示しています。

1. 基板は両面銅張りのリジッドコアから始まり、必要に応じてこれらの銅層をエッチングし、穴あけします。
2. 各面にプリプレグ＋銅層を適用し、必要に応じてエッチングおよびレーザードリル加工を行います。
3. この層（片面または両面）に埋め込み部品を実装します。たとえば、はんだペーストの印刷とリフロー処理を用います。
4. 切り欠き付きのプリプレグ層を追加し、各埋め込み部品用のキャビティを作るための切り欠きを設けます。
5. 各面にプリプレグ＋銅の外層を適用し、必要に応じてエッチング、レーザードリル、スルーホールドリル加工を行います。

  基板はビルドアップ技術で製造され、埋め込み部品は工程の一部として配置され、封止されます。
基板の下側にある埋め込み部品へアクセスするために使用されている、レーザードリルのマイクロビアに注目してください。

埋め込み部品を用いた設計

PCBエディタでは、部品は従来のトップ／ボトムの表面信号層だけでなく、任意の信号層に配置できます。覆われる内層銅層に配置された場合、その部品は埋め込み部品と呼ばれます。部品の埋め込みには2つのアプローチがあります。

• ユーザー定義のキャビティで、部品周囲に必要なクリアランスを確保する方法、
• または0201のような小型パッケージではキャビティを設けず、後続の層を追加していく中で部品をそのまま封止し、完成基板では各部品位置にバンプが生じる方法です。

部品にキャビティが必要な場合、このキャビティは基板内部に完全に閉じた形にすることも、基板の片側まで延ばして開口部を作ることもできます。以下の画像は3つの埋め込み部品を示しており、外側の2つはキャビティが定義されているため基板の上面側に開口しています。中央の部品はより下の層にあるため、完全に封止されています。設計者の観点では、オープンキャビティ部品とクローズドキャビティ部品のどちらでも、部品配置の手順は同じです。

3つの埋め込み部品。外側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1つは完全に埋め込まれています。

この部品は完全に埋め込まれています。画像を解釈しやすいように、部品は青のアウトライン、キャビティはオレンジのアウトラインで強調表示されています。

PCBライブラリ部品でキャビティを定義する

部品を埋め込み、かつキャビティが必要な場合、キャビティはPCB Libraryエディタで部品フットプリントの一部として定義します。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。この場合、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：

1. メカニカル層にRegionオブジェクトを配置します。オブジェクトは、部品の3Dボディを囲み、各辺に十分なクリアランスが確保されるように配置します。必要なクリアランス量は製造業者に確認してください。
2. Regionオブジェクトを編集し、KindKind属性をCavityCavityに設定します。
3. LayerLayer属性が適切なメカニカル層であることを確認します。
4. Cavity HeightHeight属性を適切な高さに設定します。通常は3Dボディの高さに、製造業者が推奨するクリアランスを加えた値になります。

以下の画像はPCBライブラリエディタを示しており、次の要素が含まれます：

• Mechanical 15層上の、緑色で選択されているキャビティ定義、
• 部品パッドの赤いアウトライン、
• コンデンサの2つのパッドとボディを定義する3Dボディオブジェクトの、紫のシェーディング。

キャビティは、メカニカル層にregionオブジェクトを配置し、KindをCavityに設定し、Cavity HeightHeightを必要なキャビティ深さに設定することで定義します。
紫でシェーディングされた領域に注目してください。これがキャビティ内に収まる3Dボディです。

埋め込み部品の配置と向きの設定

部品を埋め込むには、部品プロパティを編集し、LayerLayerを目的の内層銅層に設定します。埋め込み部品の向き（上向き／下向き）は、Layer Stack Managerでその銅層に指定されているOrientationOrientationによって定義されます。

PropertiesPropertiesパネルで、部品のLayerを設定します。

Layer Stack Managerで、各信号層上の部品のOrientationを設定します。

キャビティとレイヤースタックの相互作用

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PCB Libraryエディタで定義したキャビティにはHeight属性があります。この高さは、部品が配置されている銅層の表面より上にあるすべての層を、ソフトウェアが除去する距離を定義します。

キャビティが貫通する層との相互作用を単純化するため、ソフトウェアは層が部分的に切り欠かれないようにします。キャビティが誘電体層などの層に入り込んでも、その誘電体層を完全に貫通しない場合、ソフトウェアは自動的にキャビティをその層の全厚にわたって延長します。

以下の画像はこの挙動を示しています。濃い描画線は、キャビティの角と、部品が最後に切り欠かれた層の表面より下に位置していることを示すために追加されていますが、層の切り欠きはその層を完全に貫通する形で続いています。この挙動は、内部キャビティとオープン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作成を自動的に完了します。

埋め込み部品、SubStacks、Managed Stacks

以下のホバー画像は、埋め込み部品を含むリジッドフレックス設計のLayer Stack Managerを示しています。リジッドフレックス設計の各ゾーン／領域は、異なる層数で構成できます。これを実現するには、複数のスタック（substacksSubstacksと呼ばれます）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Substack Selectorボタンが表示されます。クリックして各サブスタックを選択し、設定してください。画像の上にカーソルを置くとFlexサブスタックが表示されます。

部品を埋め込むと、PCBエディタは、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。これは表示の観点だけでなく、ソルダーマスク開口やデザインルールチェックなどの計算データの観点でも同様です。そのため、設計に含まれる各埋め込み部品が必要とする「配置された層＋切り欠かれる層」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 StacksManaged Stacksと呼ばれます。

マネージドスタックは、コンポーネントが基板の層内に埋め込まれたときに自動的に作成されます。マネージドスタックは自動生成されるため、作成や管理にユーザー入力は必要ありません。PCBエディタは埋め込みコンポーネントの有無を確認し、現在管理されているスタックのいずれかが適用可能かを判定し、適切なものがなければ新規に作成します。これは埋め込みコンポーネントを削除した場合も同様で、マネージドスタックが不要になれば自動的に削除されます。PCBエディタに新しいマネージドスタックが必要かどうかを確認させたい場合は、2Dと3Dのレイアウトモードを切り替えてください。

ユーザースタックと同様に、マネージドスタックは、PCB パネルがLayer Stack Regionsに設定されているときに一覧表示されます。下の画像は、2つの埋め込みコンポーネント（R1とC15）に対するマネージドスタックを示しています。この機能を使用して、各マネージドスタックがX、Y平面上でどの範囲に及んで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つのマネージドスタックが表示されています。

次は？

• Gerber X2およびODB++のCAD-to-CAMデータ交換フォーマットはいずれも埋め込みコンポーネントをサポートしています。

• IPC標準、IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitryには、埋め込みコンポーネントに推奨される設計手法が詳述されています。 

• PCB製造業者（ファブ）は、埋め込みコンポーネントなどのプロセス技術に関する優れた情報源です。たとえばWurth Electronikは、デバイス設計ルール、銅箔設計ルール、埋め込み設計ガイドに関する情報を掲載した専用のEmbeddingセクションを自社Webサイトに設けています。PCBで埋め込みコンポーネントを使用する場合は、必ずファブの要求事項を確認してください。