シールド層・ガードパターンとは？基板で微小信号をノイズから守る方法

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これまでの記事で、パターン幅とビア本数の決め方を解説しました。電源系の設計はこれでバッチリです。

しかし、基板設計にはもう一つの大きな敵がいます。それがノイズです。特に、温度センサ・圧力センサ・マイクなどのアナログ信号は、わずかなノイズで波形が崩れます。

この記事を読み終えたとき、あなたは「敏感な信号は両側にガードパターンを置いて、シールドGNDは片端接地」と即答できるようになります。ノイズに泣かされていた基板が、見違えるほど安定する設計テクニックを身につけましょう。

そもそも「ノイズが乗る」とは？

シールドの話の前に、なぜノイズが乗るのかを理解しておきましょう。これがわかれば「なぜシールドが効くか」も自然に理解できます。

ノイズの主な原因は、近くを流れる電流が作る電界と磁界が、目的の信号配線に飛び込んでくることです。これを結合（カップリング）と呼びます。

想像してみてください。図書館で本を読んでいるあなたの隣に、大声で会話する人が座っています。集中できないですよね。

この「うるさい人」がノイズ源、「あなた」が守りたい信号配線です。対策として、あなたとうるさい人の間に壁を置くのが、まさにシールド層やガードパターンの役割です。

「シールド」と「ガードパターン」は混同されがちですが、実は役割が違います。最初に違いを整理しておきましょう。

建物の防音対策に例えるとわかりやすいです。

シールド層は4層基板以上で実現できます。一般的な4層基板での層構成を見てみましょう。

この構成だと、L1の信号配線はL2のGNDプレーンに守られている状態になります。下からの外部ノイズはL2が遮断します。

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特に敏感な信号には、上下両方をGNDで挟む構成が有効です。例えば6層基板で「GND-信号-GND」と並べると、信号は完全に守られます。

ガードパターンは、同じ層の中で信号の両側にGND配線を平行に走らせるテクニックです。

守りたい信号配線（A）の両側に、平行にGND配線を走らせます。これにより、横方向から飛んでくるノイズをGNDが吸収します。

基板設計の業界には、「3W則」という有名なルールがあります。これは、隣り合う信号配線の間隔をどれだけ取るべきかを示す指針です。

「配線間隔は、配線幅Wの3倍以上空けろ」というルールです。例えば配線幅0.2mmなら、隣の配線まで0.6mm以上空ける必要があります。

配線同士は、近すぎると「コンデンサ」になってしまいます。お互いの電圧変化が、目に見えない結合を通じて隣の配線に伝わるのです。

配線間隔を3W以上取ると、この結合（クロストーク）が約70%減少することが実測で知られています。これが3W則の根拠です。

シールドやガードパターンを「どこでGNDに落とすか」は、設計者によって意見が分かれる難しい問題です。基本的な3つのパターンを整理しておきましょう。