一 はじめに

エッジコンピューティングゲートウェイは 各種センサや端末とクラウドをつなぐ重要ノードであり データ収集 ローカル演算 無線通信など複数機能を一体化する必要があります。基板設計では 高い算力集積と確実な放熱制御を同時に満たすことが求められます。

現在の業界課題として 約30パーセントのエッジゲートウェイが 算力モジュールのレイアウト不適切により CPU FPGAなどの性能が設計値の70パーセント程度しか発揮できていません。また 約35パーセントの製品は放熱設計が不十分で コアチップの温度が105℃を超え 周期的な周波数低下やシャットダウンが発生しています。さらに 電源安定性の不足により 複数モジュールが同時動作すると通信断が発生するケースもあります。

PCBGOGOはエッジコンピューティングゲートウェイ基板の分野で豊富な経験を有し 高密度算力集積技術と高効率放熱工法を確立しています。特に銅ベース熱電分離構造 埋め込み銅ブロックなどの熱設計技術を保有し 工業インターネット スマート交通 スマートキャンパスなど多数のプロジェクトで採用されています。

本稿では エッジゲートウェイの「高算力 高放熱」という二大要求に対し 基板設計のバランス最適化手法を体系的に解説し 開発チームが高性能で高安定なエッジデバイスを構築するための指針を提供します。

二 核心技術解析 エッジコンピューティングゲートウェイ基板の要件

2.1 基板設計で遵守すべき主要規格

エッジゲートウェイ基板は 以下の国際規格を満たす必要があります。

• IPC 2221 高密度プリント基板設計規格

• PCI Express 4.0 高速インターフェース規格

• IPC 2152 プリント基板熱特性規格

• 多層数 8層以上

• 最小線幅 線間0.076mm

• PDN阻抗50mΩ以下

• 基板熱伝導率1W毎mK以上

• コアチップ区域の最高温度95℃以下

• 動作温度範囲 マイナス40℃から85℃

• EMC規格 IEC 61000準拠

2.2 エッジゲートウェイ基板設計の主要課題

• 算力集積とスペース制約
  CPU FPGA メモリ 無線モジュールを狭いエリアに実装するため 電磁干渉リスクが増加

• 高熱密度チップの放熱問題
  FPGAは50-100W級の発熱を持つため 効率的な放熱設計が不可欠

• 高速信号の整合性確保
  PCIe4.0 DDR4など高速信号でインピーダンス管理が必須

• マルチモジュール電源の安定性
  電源ドロップにより通信断が発生するケースが多い

PCBGOGOは高密度レイアウトシミュレーション 放熱工法 高速信号最適化を組み合わせ 良率99.3パーセント以上 チップ温度平均30℃低減を実現しています。

2.3 PCBGOGOの技術基盤

• 生益S1130多層板

• ロジャースRO4350B高速層

• 銅ベース熱電分離板材

• LDI露光機 精度プラスマイナス0.01mm

• 6軸ドリル機 盲埋ビア精度プラスマイナス0.01mm

• X RAY検査機 5μm精度

• 広徳と上饒の2大生産拠点で8から32層を量産対応

• AI MOMSシステムによる算力レイアウトと熱シミュレーション最適化

三 実装指針 エッジゲートウェイ基板の最適化設計

3.1 算力モジュールレイアウト 高密度と低干渉の両立

コアチップ配置

• CPU FPGAを基板中心に配置し チップ間距離10mm以上

• DDR4 eMMCはCPU近傍に配置し 高速信号長50mm以内

信号分区設計

• 算力領域 通信領域 インタフェース領域に区分

• 区分間隔5mm以上を確保

高速信号設計

• PCIe DDR4は差動100Ω 長さ差3mm以内

• ストリップライン構造でEMIを低減

• PCBGOGOのLDI露光により線幅公差プラスマイナス0.01mm インピーダンス公差3パーセント

3.2 放熱設計 高効率でチップ熱を逃がす

放熱材料選定

• FPGAなど50W以上のチップには銅ベース熱電分離基板
  銅芯厚1.0から2.0mm 熱伝導率50から200W毎mK

• 100W級には埋め込み銅ブロック方式
  厚さ2mm 熱伝導率385W毎mK

放熱構造設計

• チップ直下の銅箔エリアはチップ面積の2倍以上

• 銅厚3ozの放熱層とし 0.4mm径のサーマルビアを5mmピッチで配置

• 表面処理は裸銅または浸銀を採用し 熱抵抗を低減

外部放熱構造との協調設計

• ヒートシンクまたはヒートパイプ固定用の穴径2.5mm

• チップ中心から10mm以内に配置

3.3 電源分配ネットワーク 安定供給で算力を維持

電源アーキテクチャ

• 主電源12VからDC DCで0.8V 1.2V 3.3Vを生成

• 電源層銅厚2oz以上 PDNを低インピーダンス化

デカップリング設計

• 0.1μF 10μF 100μFをチップ電源ピンから3mm以内に配置

• EMIフィルタ 保险丝を入口部に配置

• PCBGOGOのCAM解析により電源ドロップを事前評価

3.4 インタフェースと拡張性設計

• USB HDMI Ethernetを基板端に集約

• ESD保護は8kV以上

• PCIe GPIO センサIFを拡張用に予備配置

• 高速信号テストポイントを0.8mm径以上で配置

四 事例検証 工業用エッジゲートウェイ基板の改善ケース

4.1 初期課題

ある工業インターネット企業のゲートウェイ基板では

• FPGA温度115℃で頻繁に周波数低下

• DDR4の誤り率5パーセント

• 複数モジュール動作時に0.3Vの電源降下
  が発生していました。

4.2 PCBGOGOによる改善施策

放熱改善

• 銅ベース熱電分離基板を採用 銅芯1.5mm 熱伝導率150W毎mK

• 40×40mmの銅箔放熱エリア 3oz銅箔

• サーマルビア12個追加

• 背面にヒートパイプを搭載

高速信号改善

• DDR4差動配線の長さ差を2mm以内に再調整

• インピーダンス整合を最適化

電源安定化

• 電源層の銅厚を2ozに強化

• 去耦配置を再最適化

4.3 改善結果

• FPGA温度は115℃から82℃へ低下

• DDR4誤り率は0.1パーセント以下

• 電源降下0.3Vから0.05Vへ改善

• 全体算力は設計値の95パーセントに到達

五 まとめ

エッジコンピューティングゲートウェイ基板の設計は 高算力集積 高放熱 高速信号整合 電源安定性の四要素を総合的に満たす必要があります。
PCBGOGOは材料選定から高密度配線 放熱工法 信号最適化まで一貫した技術支援を提供し 高性能で高安定なエッジデバイス開発を強力にサポートします。