基板設計におけるノイズ対策は、電子機器の信頼性を高めるために欠かせない要素です。近年電子回路の高密度化や高速化が進む中、ノイズ対策が課題になります。特に信号や電流によるノイズや放射ノイズは、設計者にとって頭を悩ませる課題です。
本記事ではノイズの発生原因を解説するとともに、シールドやフィルターを活用した基本的な対策方法、さらには最新のシミュレーション技術を用いた効果的な取り組みについて紹介します。

基板設計におけるノイズの発生原因とは

ノイズが発生する主な原因としては、信号線や電源ラインのパターンの問題が挙げられます。これらの問題が発生すると、電流が不安定になって予期せぬノイズが発生しやすくなります。特に高速信号が流れるパターンでは、クロストークやインピーダンス不整合が原因でノイズが増大しやすく、適切な配線やGNDパターンの配置が求められます。

また高速スイッチングや高周波信号が関与する電子回路では、放射ノイズが生じやすくなります。放射ノイズは回路パターンから外部に電磁波が漏れ出す現象であり、これが他の電子機器や回路に干渉することで誤動作を引き起こす可能性があります。特に高速クロックを使用する基板では、この放射ノイズを抑制するための対策が不可欠です。


一方、電流変動が激しいスイッチング電源やパワーエレクトロニクス回路でも、ノイズが発生しやすくなります。急激な電流の変化が原因で基板上に電圧変動が生じ、その結果として不要な電磁波が放出されることが少なくありません。これを抑えるためには、パスコン（バイパスコンデンサ）やデカップリングコンデンサの適切な配置がポイントとなります。
さらにGNDパターンが適切に設計されていない場合、電位差が発生し、これがノイズ電流となって他の回路へ悪影響を及ぼすこともあります。GNDパターンを適切に配置してGNDプレーンを用いることで、電位差の影響を最小限に抑えることができます。

ノイズ対策の基本！効果的なシールドとフィルターの活用

基板設計におけるノイズ対策の基本として、シールドとフィルターの活用が挙げられます。これらの手法は、ノイズを抑制して基板全体の信頼性を向上させるために欠かせない要素です。ノイズ対策を適切に行うことで電子機器の誤動作や品質低下を防ぎ、安定した性能を維持することが可能になります。

シールドの活用

シールド技術は、ノイズを遮断して外部環境から回路を保護するために用いられます。一般的に金属ケースや導電性材料を使用して基板全体を覆うことで、放射ノイズを外部へ漏らさないようにします。また基板上の高周波回路や高電圧回路など、特にノイズが発生しやすい箇所には、部分シールドを設けて対策を強化します。シールド効果を最大化するためには、接地（GND）とシールド部分）をしっかり結合させることが重要です。

フィルターの活用

フィルターは特定周波数のノイズ成分を除去し、回路の安定性を確保するために使用されます。代表的なフィルターとしては、ローパスフィルターやEMIフィルターがあり、周波数特性に応じて適切な種類を選定します。例えばローパスフィルターは高周波ノイズを抑えるのに適しており、EMIフィルターは電磁干渉を防ぐ効果が期待できます。
フィルターの効果を最大化させるためには、適切な配置とパターン設計が欠かせません。基板上に配置する際には、信号ラインの近傍やノイズが発生しやすい部分に取り付けると効果的です。またフィルターのインピーダンス特性にも注意が必要で、正しく選定しなければ逆にノイズが増幅するリスクがあります。

GNDパターン設計もノイズ対策には欠かせない要素です。GNDが適切に配置されていないと、電流がループ状に流れてしまい、ノイズが発生するケースが多々あります。そこでGNDプレーンを広く設けてスターパターンでの接地を行うことで、電流の流路を短縮し、ノイズの発生を防止します。GNDとシールドが適切に結合していることを確認し、アースポイントの分散にも配慮することが大切です。

最新技術を活用したノイズ対策とシミュレーション技術

基板設計におけるノイズ対策は、技術の進歩に伴い大きく変化しています。従来の経験則に基づく対策だけでなく、最新のシミュレーション技術やノイズ抑制技術を活用することで、より効果的な対策が可能です。


ノイズ対策を効果的に行うためには、まずノイズがどこでどのように発生しているかを正確に把握することが重要になります。そのために活用されるのがシミュレーション技術です。特に近年では、電磁界シミュレーションや信号インテグリティ（SI）シミュレーションが基板設計において欠かせない存在となっています。これらの技術を活用することでノイズが発生するリスクを設計段階から予測でき、事前に対策を講じることが可能です。

例えば電磁界シミュレーションは基板上の放射ノイズを可視化し、シールド効果やパターン配置の妥当性を検証できます。特に高速信号を扱う基板では信号がアンテナのように振る舞って放射ノイズを引き起こすケースが多く、シールド配置の最適化が求められます。また信号インテグリティシミュレーションは、クロストークや反射ノイズの影響を評価して基板パターンを調整するための指針を提供します。これによって信号品質を確保しつつ、ノイズリスクを最小限に抑えることが可能です。

●最新のノイズ対策技術

また最新のノイズ対策技術として注目されているのが、アクティブノイズキャンセリング技術です。これはノイズ成分をリアルタイムで検出してその逆位相信号を生成して打ち消すことで、ノイズを低減する手法です。従来のパッシブフィルターやシールド対策では難しかった高周波ノイズの抑制にも効果があり、高速通信機器や高密度実装基板で活用が進んでいます。

さらにシールド材料として、メタマテリアルを用いた技術が注目されています。メタマテリアルは特殊な物性を持ち、特定周波数のノイズのみを効果的に遮断する特性があります。これによって従来の金属シールドでは対策が難しかった超高周波ノイズにも対応でき、基板全体のノイズ抑制効果を向上させることができます。特に5G通信やIoT機器の普及に伴い、こうした高周波ノイズ対策は今後ますます重要となっていくでしょう。


加えてノイズ対策を設計段階から取り入れることが肝要です。最新のCADツールにはノイズリスクを事前に評価する機能が組み込まれているものもあり、これを活用することで設計ミスを防止できます。シミュレーション結果と実測データを照らし合わせ、評価と改善を繰り返すことで、実用レベルでのノイズ低減が可能です。
ノイズ対策を徹底するためには最新技術を活用するだけでなく、設計プロセスそのものを最適化することが求められます。ノイズシミュレーションと実測評価を繰り返し実施し、その結果をフィードバックして設計に反映させることで、より高い品質の基板が完成します。技術者としてはノイズ対策技術の進化に注目しつつ、常に最新の知見を取り入れていく姿勢が重要です。

基板設計におけるノイズ対策は、電子機器の信頼性を確保するために欠かせない重要な要素です。ノイズ発生原因を正確に理解し、シールドやフィルターを活用した基本対策を徹底することが求められます。さらに最新技術であるシミュレーションやアクティブノイズキャンセリングを取り入れることで、より効果的な対策が可能です。技術の進化に対応しつつ確実なノイズ抑制を実現するためには、設計プロセスの見直しと最適化が重要です。

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