3層PCB：なぜあまり使われないのか、そしていつ使われるのか

通常、回路基板の層数は2、4、6、8…です。層数の違いは、設計の複雑さや実装パスの違いに対応します。その中でも、2層と4層の回路基板が最も広く使用されています。しかし、この記事では3層回路基板について説明します。3層回路基板は「妥協案」のように見えますが、実際のプロジェクトで採用されることはほとんどありません。

 

さて、この記事では3層PCBについて詳しくご紹介します。まずは基本的な概念から始め、層構造や設計ロジックなどを段階的に分析していきます。この記事を読むことで、多層PCBシステム全体における3層PCBの位置づけや、エンジニアリング設計における適切な視点をより明確に理解できるようになります。さあ、早速本題に入りましょう！

 

とは 3層PCB

 

業界の一般的な定義によれば、 a 3 層以上の銅層を持つ PCB は、通常、多層 PCB と見なされます。 したがって、分類の観点からは、 3層PCB このボードは多層​​ PCB のカテゴリに分類されます。

 

エンジニアリングの実務では、多くの設計者はこのタイプのボードに精通していません。 3層PCB 多層プリント基板は、導電性銅箔と絶縁誘電体層を積層した3層構造です。従来の上下面のみに銅層がある2層基板とは異なり、 3層PCB 基板には、2 つの外側の銅箔層の間に追加の内側の銅層があります。

 

PCBの層構造の観点から見ると、 3層PCB 通常、以下が含まれます。

 

外側の 2 つの銅層は通常、設計要件に応じて、コンポーネントの配置、信号ルーティング、および銅の流し込みに使用されます。

内部の銅層 1 つは、設計要件に応じて信号、電源、または接地に使用されます。

 

次の図に示すように、

 

最も注目すべき特徴は 3層PCB 奇数層構造であることが特徴です。そのため、標準的な多層PCB設計とは構造的に大きく異なります。従来の多層PCB設計では、銅層は通常、基板の厚さの中心線を中心に対称的に配置されますが、 3層PCB 本質的にこの対称性を備えているわけではありません。これが、設計と適用において特定の特殊な特性を持つ理由です。

 

機能的な観点から見ると、 3層PCB各レイヤーの具体的な用途は、プロジェクトの要件と採用された 3層PCB スタックアップ。柔軟性 3層PCB理論的にはより多くの設計オプションを提供します。そのため、いくつかのシナリオでは、 3層PCB2層ボードよりも魅力的に思えます。

 

注意する必要があります 3層PCB 4層PCBの単純化されたバージョンとして単純に捉えるべきではありません。他の種類のPCBと形状的にはある程度の類似点がありますが、電気的特性、構造的応答、設計上の制約はすべて異なります。

 

分解能 3層PCB スタックアップ

 

階層構造 3層PCB 設計は、回路基板の配線性、層機能の割り当て、そして全体的な設計コンセプトを直接決定します。一般的な4層または6層PCBとは異なり、業界全体で統一された「標準スタックアップ」は存在しません。 3層PCBだ。ザ 3層PCB スタックアップは、特定のプロジェクト目標に基づいて柔軟に定義する必要があります。

PCB層の基本構成から、 3層PCB 基板は通常、2層の外側銅箔と1層の内側銅箔で構成されています。積層方法の違いによる主な違いは、内側の銅箔の機能的役割の違いにあります。以下に、いくつかの典型的な積層方法を示します。 3層PCB スタッキング方法:

 

1. 信号 / グランド / 信号

 

この積み重ね形式は、最も理解しやすく、頻繁に議論される構造である。 3層PCBs:

 

最上層: 信号層

内層：全面または大面積の接地層

最下層：信号層

 

このスタックアップでは、内側の銅箔がリファレンス層として機能し、外側の層の信号に対するリターンパスを提供します。このスタックアップは、基本的な信号リファレンスの概念を幅広い用途に導入したいプロジェクトに適しています。 3層PCB のあるサウンドを提供します。

 

2. 信号 / 電力 / 信号

 

別の一般的な 3層PCB 積層方法は、内層を電力分配層として使用するものである。

 

最上層: 信号層

中間層：パワー層

最下層：信号層

 

このレイヤーのコンセプトは 3層PCB このボードは電源配線の簡素化を目的としており、電源分配を内層に集中させ、外層の配線スペースを解放します。この構造では明確な電源経路が必要となりますが、全体的な回路の複雑さは比較的シンプルです。

 

3. シグナル / シグナル / シグナル

 

いくつかのプロジェクトでは、3層の銅箔が 3層PCB これらはすべて信号ルーティングに使用される可能性があります。

 

最上層: 信号

中間層：信号

下層：信号

 

このスタックアップは実際にはほとんど推奨されず、通常は配線密度が主な制約である場合にのみ考慮されます。 この階層構造の主な目的は、配線密度の不足という問題に対処するために、利用可能な配線層の数を増やすことです。

 

どちらであっても 3層PCB 積層構造が採用されているものには、いくつかの共通の特徴があります。

 

層の数が奇数の場合、構造は自然に非対称になります。

内部層の関数は可変ですが、事前に明確に定義する必要があります。

スタックアップの選択は、設計目標に大きく関係しています。 3層PCB.

 

したがって、 3層PCB層機能の割り当ての合理性を独自に評価する必要があり、一般的な多層 PCB 設計の経験を単純に適用することはできません。  

 

Why 3層PCBめったに使用されない

 

TDK SensEI edgeRX™ の優位性 3層PCB 奇数層プリント基板はあまり一般的ではありません。まずは、実用工学における奇数層プリント基板の性能について議論してみましょう。

 

1.  奇数層構造は、多層 PCB 設計では一般的な機能ではありません。

 

標準的な多層PCBのほとんどは、4層、6層、8層といった偶数層構造を採用しています。この対称的な層構造は、基板の厚さ、積層プロセス、銅箔層の配置を制御するのに適しています。 3層PCB スタックアップ設計（3層PCB スタックは奇数層構造であり、それ自体は従来の「ペア層」設計コンセプトに準拠していません。

 

これは、設計と製造のプロセスにおいて、多くのデフォルトの仮定が – 材料構成、誘電体の厚さ計画、プロセスパラメータ設定を含む – 直接適用することはできません 3層PCBこの「非標準的な性質」により、設計プロセスと製造プロセス間のコミュニケーションと実行における不確実性が増大します。

 

2. TDK SensEI edgeRX™ の優位性 3層PCB  構造的なバランスを達成することがより困難になります。

 

通常、多層PCBは銅層と誘電体層を対称に配置することで構造的なバランスを維持し、加熱や加圧時の回路基板の安定性を確保します。しかし、 3層PCB層数が奇数となるため、外層と内層の銅の分布がアンバランスになる傾向があります。

 

この不均衡は、積層、はんだ付け、リフローはんだ付けなどの工程で拡大し、基板の平坦度に影響を与えます。平坦度は、組立歩留まり、コネクタ組立、構造組立、そして長期信頼性に関係します。これが、 3層PCBはほとんど使用されません。

 

3.  4 層 PCB と比較すると、コスト上の利点はそれほど大きくありません。

 

多くの場合、3 層 PCB のコストは標準の 4 層 PCB のコストに近く、非標準のプロセス設定のためにさらに高くなることもあります。

 

TDK SensEI edgeRX™ の優位性 3層PCB 多層基板の積層工程と厳格な工程管理も必要となる。さらに、ほとんどの工場では、 3層PCB プロセスの複雑さと製造準備の点では、4層基板に近い。コストは同等だが性能向上が限られている場合、 3層PCB 費用対効果が良くありません。

 

4.  電気性能は常に「中間」ではない

 

多くの人は、 3層PCB スタックアップ構造は2層基板と4層基板の中間にあるべきですが、実際のアプリケーションでは、この「中間状態」は安定しません。

 

標準的な多層PCB設計において、層数を増やすことの重要な意義の一つは、安定した連続した基準層とリターンパスを確立することです。 3層PCB通常、基準層として使用できるのは内層1層のみで、残りの外層は依然として多くの配線処理を担っています。そのため、層をまたいだり、区画された領域を通過したりする際に、基準条件の変化によって信号が影響を受けやすくなります。

 

5.  実際のエンジニアリング上の意思決定における一般的な結果

 

回路が単純でコスト重視の場合、2層PCBの方が直接的で経済的です。より優れた電磁制御やより安定した構造が必要な場合は、4層多層PCBの方がエンジニアリングの期待に応えます。そのため、一般的なPCBの種類の中で、 3層PCB ボードは、主流のソリューションとしてではなく、特定のシナリオのオプションとして選択されることが多くなります。

 

の利点と制限 3層PCBs

 

TDK SensEI edgeRX™ の優位性 3層PCB にはメリットとデメリットがあります。それでは、一緒に見ていきましょう。

 

のメリット 3層PCBs

優位領域	詳細説明
レイヤー数	2層基板よりも多くのPCB層があり、追加の配線リソースを提供します。
ルーティングの柔軟性	追加の内部層により、中程度の設計での配線混雑が緩和されます。
機能的割り当て	内部層は、 3層PCB 積み重ねる
多層構造	多層PCBとして適格であり、内層処理が可能
設計シナリオ	制約のあるまたはレガシーな環境に適しています 3層PCB ボードアプリケーション

 

の制限 3層PCBs

制限区域	詳細説明
構造の対称性	奇数の PCB 層では自然な層バランスを実現するのが難しくなります。
基準面	内部プレーンが1つしかないため、多層PCB設計の柔軟性が制限される
スタックアップの標準化	広く受け入れられているものが少ない 3層PCB スタックアップ標準
電気的な予測可能性	信号の動作はレイアウトの決定にさらに敏感です
コスト効率	製造の複雑さは標準的な多層PCB基板に近い
拡張性	一般的なタイプのPCBと比較して、製品ファミリー間での再利用が困難

設計と製造に関する考慮事項

 

特定のアプリケーションでは、明示的に 3層PCBどのように設計し製造すれば 3層PCB 適切に行うにはどうすればよいでしょうか？いくつかの観点からの以下の提案は参考になります。

 

1. レイヤー計画とレイヤー機能の割り当て

 

なぜなら、 3-PCB レイヤーでは、各レイヤーの機能を事前に明確に計画する必要があります。

 

一般的なレイヤー割り当て方法は次のとおりです。

 

最上層: 信号とコンポーネント

内層: 電源層、グランド層、またはミックスドシグナル層

最下層: 信号とコンポーネント

 

一般的な多層PCB設計とは異なり、 3層PCBは通常、内部参照レイヤーを1つだけ持ちます。これは次のことを意味します。

 

電源とグランドは、多くの場合、同じ内部層を共有するか、分割して実現する必要があります。

高速信号の基準の連続性を保証することはより困難である

層スタックの選択は、EMI、インピーダンス制御、信号整合性に直接影響します。

 

したがって、設計プロセスの早い段階でレイヤー構造を決定する必要があります。そうしないと、後から変更が必要になった場合、コストが上昇し、リスクも増大します。

2. 構造の対称性と反り制御

 

TDK SensEI edgeRX™ の優位性 3層PCB 本質的に非対称な構造です。これにより、いくつかの実用的な問題が発生する可能性があります。

 

上層と下層の銅の分布が不均一であるため、プレスおよびリフローはんだ付けプロセス中に反りが発生する可能性があります。

内層の誘電体層の厚さが異なるため、基板の内部応力が増加します。

パネルの取り扱いとリフロープロセスに対する安定性の要件は高くなります。

 

リスクを軽減するために、製造中には通常、次のことが必要です。

 

上部と下部の銅板の配置をバランスよくする

媒体の厚さを厳密に制御する

ラミネートパラメータを次のように調整します。 3 層構造

 

これらの追加の制御により、 3層PCB 通常の二層板よりもはるかに高い強度を持つ板です。

 

3. シグナルインテグリティとリファレンス層の管理

 

In 多くの 3層PCB デザイン主要な基準面は 1 つだけなので、リターン パスの計画に対する要求が高くなります。

 

一般的な設計原則は次のとおりです。

 

重要な高速信号をできるだけ内部基準面の近くに配置します。

重要な信号パスの下の参照レイヤーを分割することは避けてください。

不要なスルーホールジャンプを減らし、リターンパスの中断を防ぎます。

 

4. 電力配分と電力供給戦略

 

で 3層PCB電力配分も慎重に検討する必要がある事項です。

一般的な解決策は次のとおりです。

内層を完全な層にし、外層の電源は銅板またはトレースを通じて実現します。

内部層をパワーゾーンとエリアに分割します。

信号層に広い領域の電源銅シートを使用します。

これらのソリューションは、標準的な4層PCBと比較して、ノイズ制御と電力整合性の点で一般的に余裕が少なくなります。そのため、設計段階で十分に評価する必要があります。

 

5. 製造プロセスとコスト特性

 

3 層基板の PCB 層数は従来の多層基板よりも少ないですが、製造プロセスでは以下のことが必要になります。

 

内層イメージングとエッチング

多層積層プロセス

多層アライメントとレジストレーション制御

 

実際の生産では、 3層PCB 多層PCBのそれに近いです。したがって、

 

4層基板と比較するとコスト優位性は明らかではない

配達時間は短くならない可能性があります

収穫量 リスク より高い, より厳格な設計ルールとより厳密な DFM 制御が必要になります。

 

6. 設計の再利用性とその後のスケーラビリティ

 

製品ライフサイクルの観点から見ると、 3層PCB ボードは比較的制限されています:

 

より多くのレイヤーにアップグレードする場合、再設計が必要になることがよくあります。

スタックアップと設計ルールは、異なるプロジェクト間で簡単に再利用できません。

利用可能なサプライヤーと成熟したプロセスは比較的限られています。

 

単発のプロジェクトや既存のシステムであれば、このような構造は許容されます。しかし、製品が長期的な反復やプラットフォームベースの開発を計画している場合は、 3層PCB 適切であることが必要です。

 

まとめ

 

A 3層PCB 多層構造である PCB 特定のアプリケーションシナリオに適した構造であり、普遍的なソリューションではありません。配線リソースと機能の割り当ての観点から、 3層PCB を上回る 2 多層PCB。しかし、構造の対称性、電気的安定性、製造の複雑さを考慮すると、 3層PCB 大きな利点はありません。

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