単層基板と多層PCB
PCB層数は最も基本的な設計上の決定の1つであり、コスト、密度、シグナルインテグリティ、およびEMC性能に直接影響します。単層基板はシンプルな設計では最も安価で、最新の電子機器には4層基板が最適です。また、層数の多い基板 (8～20以上) は複雑なデジタルシステムやRFシステムをサポートします。
単層/2層プリント基板
1層または2層のPCBでは、片面または両方の外面のみに銅があります。ほとんどのミックスド・シグナル設計では、2層基板が最低限必要です。信号ルーティングと配電は同じ層を共有し、専用のグランドプレーンや電源プレーンはありません。
Advantages
- 最低コスト — すべての製造業者で標準プロセス
- 短いリードタイム — プロトタイプの場合は24〜48時間
- シンプルなデジタル、アナログ、電源設計には十分
- 点検や再加工が容易
Disadvantages
- 連続グランドプレーンがない — EMCとリターン電流制御が不十分
- 限られた配線密度 — すべての信号経路を2層に
- 高インピーダンスの配電—大きな電圧トランジェント
- 500 MHzを超える高速デジタルまたはRFには適していません
When to use
シンプルな電源、基本的なセンサー回路、LEDドライバー、低速デジタル設計など、コスト重視でEMC要件が緩和されている場合には、2層構造を使用してください。
4層 (およびマルチレイヤー) PCB
4層PCBには、専用のグランドプレーンと専用の電源プレーンを挟んだ2つの外部信号層があります。これは、ミックスドシグナル設計や RF 設計には最低限推奨されます。層数が多いほど (6、8、10 以上)、信号ルーティング層とプレーン層が多くなります。
Advantages
- 連続グランドプレーンはEMCとリターン電流経路を大幅に改善します
- 低インピーダンスの配電 — 電源ノイズの低減
- 複雑な設計に対応するより多くのルーティングチャネル
- インピーダンスを制御するために、500 MHz を超えるすべての RF に必要
Disadvantages
- 4層のコストは、同じサイズの2層ボードの約2〜3倍
- 内部層の検査が難しい
- より複雑なデザインルール検証
- ビア・イン・パッドとブラインド/ベリード・ビアではさらにコストがかかる
When to use
MCU 設計、500 MHz を超える RF 回路、高速デジタル (50 Mbps 以上)、およびノイズ絶縁を必要とするアナログ/デジタル信号が混在するボードでは、最低 4 層を使用してください。
Key Differences
- ▸2層：専用のグランドプレーンなし、4層：ソリッドグランドプレーンと電源プレーン
- ▸グランド・プレーンによるEMCの向上：放射線と感受性を20～40dB低減します
- ▸4レイヤーのコストは、同じサイズの2レイヤーの約2〜3倍
- ▸制御されたインピーダンス (50Ωトレース) にはリファレンス・プレーンが必要 — 2層では妥協なしでは不可能
- ▸500 MHz を超えるほとんどの MCU および RF 設計では、最低 4 層が必要です。
Summary
EMC要件が緩和されたシンプルでコスト重視の設計には、2層PCBを使用してください。100 MHzを超えるMCU、RF回路、または高感度のアナログ信号を使用する設計では、4層が最小です。4層構成のコスト・プレミアムは、ほとんどの場合、EMCの向上、デバッグ時間の短縮、シグナル・インテグリティの向上によって正当化されます。
Frequently Asked Questions
EMCにとって4層が2層よりも優れている理由を教えてください。
ソリッドグランドプレーンは信号電流の低インピーダンスのリターン経路となり、信号層とプレーンの間の電界が制限されます。2層基板では、リターン電流は信号トレースから遠く離れたインダクタンスの最も小さい経路をたどるため、効率的に放射されるループ領域が大きくなります。
6層は常に4層よりも優れていますか？
いつもではない。適切に設計された 4 層ボードは、設計が不十分な 6 層ボードよりも優れたことがよくあります。層を追加するのは、配線密度が本当に必要な場合、または追加のシールドプレーンが必要な場合だけにしてください。層を追加するたびにコストが増え、基板の厚みも増えます。
標準の 4 層スタックアップとは何ですか?
上から下への最も一般的な4層スタックアップは、L1 (信号/コンポーネント) — L2 (グランドプレーン) — L3 (電源プレーン) — L4 (信号) です。これにより、信号層がリターンプレーンに隣接して配置され、インピーダンスが制御され、ループ面積の少ないリターンパスが得られます。
2層基板でRFを行うことはできますか？
はい、制限付きです。1つの層が専用のグランドであれば、2層で50Ωのマイクロストリップが可能です。標準FR4（1.6 mm）の 2.4 GHz では、50 Ω のマイクロストリップ・トレースの幅は約3 mmです。これは実現可能ですが、限界があります。5 GHz を超えると、2 層での損失とインピーダンスの制御が問題になります。