PCB技術 - PCB基板におけるダイオードの応用と設計手法

現代の電子機器において、ダイオードは基本的な半導体デバイスとして、様々なPCBに広く使用されています。一方向の導電性を核とするダイオードは、整流、保護、電圧調整、信号変調など、多様な役割を果たします。携帯電話のマザーボードから自動車の電子制御ユニット、産業用電源モジュールに至るまで、ダイオードの応用は回路設計の信頼性と効率性を高めます。

ダイオードの基本構造はPN接合です。順方向バイアス時には電流がスムーズに流れ、逆方向バイアス時には高い抵抗を示します。この非対称な導電性により、ダイオードは回路において「一方向弁」として機能します。PCB設計では、ダイオードは0402、0603、SOD-123などのSMD（表面実装デバイス）パッケージでよく使用され、自動実装と高密度レイアウトの容易さが求められます。スルーホールダイオードは高出力アプリケーションで使用され、放熱性に優れていますが、実装面積が大きくなります。

図　RF基板

一般的なダイオードの種類には、AC-DC変換に使用される整流ダイオードがあります。1N4007シリーズは、高電圧・高電流定格で広く使用されています。ショットキーダイオードは電圧降下が小さくスイッチング速度が速いため、高周波スイッチング電源に適しています。ツェナーダイオードは逆ブレークダウン電圧制御を利用し、電圧リファレンス回路で広く使用されています。TVSダイオードは過渡現象を抑制するために特別に設計されており、インターフェースをESDやサージによる損傷から保護します。フォトダイオードは、光電変換回路において光信号を電流に変換します。

PCBを設計する際には、ダイオードの極性表示が非常に重要です。通常、シルクスクリーン層では、カソードにはストライプまたは「K」、アノードには「A」が使用され、逆はんだ付けによる短絡や故障を防ぎます。高周波基板では、ダイオードの寄生容量が信号品質に影響を与える可能性があるため、接合容量の低いダイオードを選択し、トレース長を短くする必要があります。パワーダイオードでは、サーマルパッドやビアアレイを追加して熱をグランドプレーンに伝導させるなど、放熱を考慮する必要があります。

実際の製造工程では、ダイオードのテストが非常に重要です。マルチメーターをダイオードモードで使用した場合、順方向電圧降下は約0.7V（シリコンダイオード）または0.3V（ショットキーダイオード）で、逆方向では無限大です。オンボードテストでは、並列部品の影響に注意してください。測定はオフボードで行うことができます。一般的な故障としては、はんだ付け不良、短絡、逆極性などがあり、回路の誤動作や他の部品の焼損を引き起こします。

5G、車載エレクトロニクス、IoT（モノのインターネット）の台頭に伴い、ダイオードはPCBにおいてますます重要な役割を担っています。小型化のトレンドは01005パッケージの適用を促進し、高電圧SiCダイオードは効率を向上させます。設計者は、適切なダイオードの選択と配置によって、基板の信頼性と性能を大幅に向上させることができます。

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