ビアステッチングとビアシールディングの追加

ビアスティッチングは、異なるレイヤー上のより大きな銅箔エリア同士を接続するために使用される手法で、実質的には基板構造を貫く強固な垂直接続を形成し、低インピーダンスの維持とリターンループの短縮に役立ちます。ビアスティッチングは、そうでなければ孤立してしまう可能性のある銅箔エリアを、それらのネットに再接続するためにも使用できます。

ビアシールドはこれとは異なる目的を持ち、RF設計では、RF信号を伝送する配線におけるクロストークや 電磁干渉の低減に使用されます。ビアシールドは、ビアフェンスまたはピケットフェンスとも呼ばれ、信号の配線経路に沿って1列以上のビアを配置することで作成されます。Altium Designer では、これを via shielding と呼びます。

Altium Designer は、ビアスティッチングとビアシールドの両方をサポートしています。スティッチング用ビアまたはシールド用ビアを追加する処理は似ているため、このページでは両方のトピックを扱います。

ビアスティッチングは、基板を貫く強固な垂直接続の形成に役立ち、インピーダンスの維持とリターンループの短縮に貢献します。

ビアシールドは、ネットをクロストークや 電磁干渉から保護するための「フェンス」を作成するために使用されます。

 

スティッチングビアの追加

ビアスティッチングは後処理として実行され、空いている銅箔エリアがスティッチングビアで埋められます。 ビアスティッチングを行うには、異なるレイヤー上で、指定したネットに接続された銅箔エリアが重なっている必要があります。サポートされる銅箔エリアには、FillsSolid Regions、 PolygonsPower Planes があります。

ネットにスティッチングビアを追加するには、メニューから Tools » Via Stitching/Shielding » Add Stitching to Net コマンドを選択します。Add Stitching to Net ダイアログが開き、そこで Net、 Stitching Parameters、および Via Style を指定します。OK ボタンをクリックすると、スティッチングアルゴリズムが選択したネットに接続されたすべてのフィル、ソリッドリージョン、ポリゴン、およびパワープレーンを識別し、指定したビアおよびスティッチングパターンを使用して基板を貫いてそれらを接続しようとします。 

新しいスティッチングビアセットは Add Stitching to Net ダイアログで設定し、既存のビアセットは Via Stitching ダイアログ()または Properties パネル()で編集します。これら3つすべての項目について、以下で説明します。

ビアスティッチングに関する注記

  • まず、スティッチングに使用する Net を選択してください。これにより、Load values from Routing Via Style Rule ボタンのクリック時など、他のオプションの挙動に影響します。デザインスペースですでにネットが選択されている場合は、Add Stitching to Net ダイアログを開いたときにそのネットが自動的に選択されます。

  • シールドビアは VSnVia Stitching によって識別されます。数値 n は、このビアが同じ数値識別子を持つ他のビアと同じビアステッチングユニオンに属していることを示します。

  • ビアの接続スタイル(リリーフまたはダイレクト)は、ポリゴンについては適用される Polygon Connect Style デザイン制約、電源プレーンについては適用される Plane Connect Style デザイン制約によって定義され、ソリッドリージョンおよびフィルについてはダイレクト接続となります。

  • ステッチングが完了したら、ビアがリリーフ接続スタイルで接続される影響対象のすべてのポリゴンを再注入する必要があります。

  • 各ステッチングビアのセットはユニオンに追加されます。これらのユニオンを確認するには、PCB パネルを Unions モードに設定します()。

  • ステッチングビアのセットを編集するには、セット内の任意のビアをダブルクリックして Via Stitching ダイアログを開くか、ダブルクリックで開くよう設定されている場合は Properties パネルを開きます()。または、1つ以上のステッチングビアを含む左から右への選択矩形をドラッグし、その後 Properties パネルで設定を編集します。

  • ビアのセットは、Tools » Via Stitching » Remove Via Stitching Group コマンドを実行してから、そのグループ内の任意のビアをクリックすることで削除できます。 

  • ビアステッチングアルゴリズムは、ポリゴン、フィル、ソリッドリージョン、および電源プレーンを次のように扱います。

    1. 同一ネット上のポリゴン、リージョン、およびフィルは、異なるレイヤー上で重なっている箇所ごとにステッチングされます。その領域内で他のネット上のポリゴン、リージョン、またはフィルが重なっている場合(別レイヤー上)、その領域にはステッチングは適用されません。他ネットの重なっているプレーンリージョンは貫通されます。

    2. 対象ネット上で重なっているプレーンリージョンは、他ネットに接続されたプレーンリージョン(別レイヤー上)が存在するかどうかに関係なく、常にステッチングされます。同じ領域内でポリゴン、リージョン、またはフィルが重なっている場合は、上記のルール1が適用されます。

      To summarize these two rules - 他のレイヤーでは、他ネットのプレーンレイヤーは常にステッチングビアによって打ち抜かれますが、他ネットのポリゴン、リージョン、またはフィルは打ち抜かれません。設計内に、ステッチングビアが必要な領域に他ネットのポリゴンが含まれている場合は、そのポリゴンを一時的にシェルブし、ステッチングビアを定義してから、ポリゴンのシェルブを解除して再注入してください。ポリゴンのシェルブと再注入 の詳細をご覧ください。 

ビアステッチング領域の変更

各固有のビアステッチング領域内のビアセットは union にクラスタ化されます。ユニオン全体を移動でき、領域のサイズ変更も可能です。

左から右へ選択ウィンドウをドラッグしてステッチング領域を選択し、マウスを適切なカーソル位置に合わせて移動またはサイズ変更します。

ネットへのシールドビアの追加

ビアシールドは、近傍信号からの潜在的な干渉や結合からネットを隔離するために使用されます。シールドビアの間隔は、防護対象となる最高周波数に適合するよう設定する必要があります。シールドの適切な設計は不可欠です。間隔が近傍信号の共振周波数に一致すると、設計の不十分なフェンスが実際には EMI 問題の一因となる可能性があります。これについては、 Notes about Via Shielding セクションでさらに説明しています。

配線済みネットの周囲にビアシールドを配置するには、メニューから Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net コマンドを選択します。Add Shielding to Net ダイアログが表示され、必要に応じて Net to Shield、その他の Shielding Parameters、基準 Net、および Via Style を設定します。適用されるデザインルールに適合するビアを配置できる箇所に限り、選択したネットの両側に沿ってビアが配置されます。

新しいシールドビアセットは Add Shielding to Net ダイアログで設定し、既存のビアセットは Via Shielding ダイアログ()または Properties パネル()で編集します。 これら3つすべてのフィールドについて以下で説明します。

Via Shieldingに関する注意事項

  • まずシールド対象のNetを選択してください。これにより、Load values from Routing Via Style Ruleボタンをクリックしたときなど、他のオプションの動作に影響します。設計空間内ですでにネットが選択されている場合は、Add Shielding to Netダイアログを開いたときにそのネットが自動的に選択されます。

  • シールド ビアはVSHnによって識別されます:Via SHielding。数値nは、このビアが同じ数値識別子を持つ他のビアと同じビア シールディング ユニオンに属していることを示します。

  • ビア接続スタイル(リリーフまたはダイレクト)は、ポリゴンについては適用されるPolygon Connect Style設計制約、電源プレーンについては適用されるPlane Connect Style設計制約によって定義されます。

  • スティッチング完了後、リリーフ接続スタイルを指定する適用可能なPolygon Connect Style設計ルールを持つ、影響を受けたすべてのポリゴンを再ポアする必要があります。

  • 各シールド ビア セットはユニオンPCBパネルをUnionsモードに設定します()。

  • シールド ビア セットを編集するには、セット内の任意のビアをダブルクリックしてVia Shielding ダイアログを開くか、ダブルクリック時に開くよう設定されていればPropertiesパネルを開きます()。または、1つ以上のシールド ビアを含む左から右への選択枠をドラッグし、Propertiesパネルで設定を編集することもできます。

  • ビア セットは、Tools » Via Stitching/Shielding » Remove Via Shielding Groupコマンドを実行してから、そのグループ内の任意のビアをクリックすることで削除できます。

  • ネットの部分シールドまたは複数ネットのシールドを実行できます。

    • ネット全体をシールドしたくない場合は、まず必要なトラック セグメントを選択し、次にSelected Objectsオプションを有効にしてシールドします。

    • 複数の隣接ネットをシールドするには、設計空間でネットを選択し、Selected Objectsオプションを有効にしてシールドします。

    • 差動ペアは、複数ネットのSelected Objects手法を使ってシールドすることも、Net to Shieldドロップダウンで差動ペアのいずれか一方のネットを選択してシールドすることもできます。

  • Add shielding copperオプションを使用すると、シールド ビアを囲むポリゴンを追加できます。さらにAdd clearance cutoutオプションを含めると、ビアをちょうど囲むようにポリゴンを切り詰めます。これらのオプションの詳細は、以下のIncluding Shielding Copper with the Shielding Viasを参照してください。

シールド ビアのサイズと配置位置は厳密に決まるものではありませんが、経験的な試験に基づいて確立されたガイドラインがあります。 

  • M K Armstrongは、"PCB design techniques for lowest-cost EMC compliance Part 1" と題した論文の中で、次のように推奨しています。

「スティッチング間隔はλ/20以下、スタブ長もこれ以下にすること。これは実際、多層設計において、任意のグランド フィルをグランド プレーンにスティッチングする際の非常に良いルールである。λは、その設計における最も重要な最高周波数の波長である(不明な場合は1 GHzを想定)。ここで:

f = C / λ

注:FR4誘電体PCB内を伝搬する電磁放射については、C(光速)は自由空間中の速度のおよそ60%になります。」

  • 以下で参照しているフォーラム ディスカッション(5)で述べられているように、オンボード アンテナを備えたPCBでは「ビア間距離は最大でも共振波長の1/4にすべき」です。

  • そのフォーラム ディスカッション(5)では、さらに技術ノートも参照されており、そこでは「一般的な経験則として、スティッチ ビアの間隔はλ/10以下、できればλ/20程度の頻度で配置する」とされています。

シールド ビアにシールド銅箔を含める

配線の両側にシールド ビアを追加するだけでなく、以下の画像に示すようにシールド銅箔を含めることもできます。これを行うには、Via Shielding ダイアログでAdd shielding copperオプションを有効にします。 この銅箔はポリゴンとして作成されるため、適用されるClearanceおよびPolygon Connect Style設計ルールに従います。

Add shielding copperオプションは、シールド ビアを囲むポリゴンを追加します。シールド対象ネットから離れている側のポリゴン辺は、ビアのエッジに接します。シールド対象ネットに隣接する側のポリゴン辺は、適用されるClearance設計ルールに従ってネットから後退して配置されます。Add clearance cutoutオプションも有効な場合、代わりにポリゴンはAdd Shielding to NetダイアログのDistance設定に従って、シールド対象ネットから後退して配置されます。違いを確認するには、以下の画像にカーソルを合わせてください。

クリアランス カットアウト オプションを有効にしたネット周囲のシールド ビア、および

クリアランス カットアウト オプションを無効にしたネット周囲のシールド ビア。

 

スティッチング ビアまたはシールド ビアの選択または編集

スティッチング / シールディング ビアの配列を扱う作業を簡単にするため、両方の種類のビアは自動的にユニオンにまとめられます。ユニオンはPCBパネルで管理します。

PCBパネルを使用した選択

配列を選択するには、PCBパネルをUnionsモードに切り替え、必要なVia StitchingまたはVia Shieldingユニオンを選択します。パネルでSelectチェックボックスが有効になっていれば(下図参照)、その配列に属するすべてのビアが選択されます。あるいは、配列内の任意のビアをダブルクリックしてProperties パネルを開き、配列を編集することもできます。

PCBパネルをUnionsモードで使用すると、スティッチング配列またはシールディング配列内のすべてのビアを選択できます。この画像では、4つのビア シールディング ユニオンがすべて選択されています。
PCBパネルをUnionsモードで使用すると、スティッチング配列またはシールディング配列内のすべてのビアを選択できます。この画像では、4つのビア シールディング ユニオンがすべて選択されています。

ビア セットを対話的に選択する

選択動作:

  • 個々のスティッチング / シールディング ビアは選択して削除できます。

  • Preferences)でPopup Selection Dialogオプションが有効な場合、ユニオンに属する個々のビアをクリックすると、上の画像に示すように、そのユニオンを含むリストが表示されます。ユニオンを選択すると、そのビア ユニオンをワークスペース内で削除したり、Propertiesパネルで編集したりできます。 

  • Popup Selectionダイアログが有効でない場合、ユニオンに属する個々のビアをクリックしたときの動作は次のとおりです。

    • 最初のクリックで個々のビアが選択されます。

    • 2回目以降のクリックでは、重なっているオブジェクトがある場合に使用される選択順序に従って、次のオブジェクトが選択されます。たとえば、コンポーネント、ポリゴン、ビア ユニオン(それらのオブジェクトがカーソル下にある場合)です。

    • または、最初のクリックで個々のビアを選択した後、Shift+Tabショートカットを押してSelect Overlappingコマンドを呼び出します。Shift+Tabを押し続けると、重なっているオブジェクトを順に切り替えながら選択できます。

     

  • エリアに制約されたスティッチング ユニオンは、ユニオン内の任意のビアの周囲を選択枠で囲むようにドラッグすることで選択できます(左から右へドラッグ)。これは、このページのModifying a User-Defined Via Stitching Areaセクションのアニメーションで示されています。

ビア セットの編集

スティッチング ビア セットまたはシールディング ビア セットのプロパティは、選択後にPropertiesパネルのVia StitchingまたはVia Shieldingモードで編集できます。セット内の任意のビアをダブルクリックするとパネルが開きます。

Propertiesパネルでスティッチング ビアを編集している例。Propertiesパネルでスティッチング ビアを編集している例。

パネルでプロパティを編集してキーボードのEnterを押すと、Changes pendingメッセージとボタンがパネル上部に表示されます。編集操作を完了するには、Applyをクリックしてください。

参考資料

  1. PCB設計のあらゆる側面に関する情報については、Printed Circuit Design and Fab MagazineのWebサイトを参照してください。このサイトは、「via fence」の役割のような技術的トピックを調べるための優れた情報源です(検索結果の精度を高めるため、引用符も含めて検索してください)。

  2. Wikipediaの記事、Via Fence

  3. 多層プリント回路基板におけるビア結合に関する研究

  4. PCB構造内における電磁波伝搬の基本原理を紹介する論文 - 回路基板設計のベストプラクティス

  5. Via fences for noise reduction of a chip antenna?という質問が投稿されたディスカッションフォーラム

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