初心者のためのPCBレイアウト速習ガイド

PCB（プリント基板の略称）は、対応する機能を実現するために電子部品を搭載する基本的なプラットフォームです。基づいて基板材料PCB は、PCB 設計ファイルに従って製造され、基板層間および基板と部品間の接続が実現されます。PCB の主な機能は、リレー伝送の役割を果たし、回路基板を取り巻くすべての部分間の電気的接続に大きく寄与することにあります。そのため、PCB は通常、電子製品の中核と見なされています。

PCB は、以下を含む PCB 設計ファイルに厳密に従って製造しなければなりませんガーバーデータ、NCドリルファイル、ステンシル設計ファイルなど、最終的に実際のPCBへとつながるすべてのものです。本記事では、PCB設計初心者向けにPCBレイアウトのクイックガイドを提供し、PCB設計およびレイアウトに関する重要なポイントを取り上げます。本記事が、電子工学を始めたばかりのエンジニアにとっての応急処置となることを願っています。

PCBレイアウトとは何ですか？

PCBレイアウトには主に、基板上の部品配置、配線、配線幅、配線間隔などが含まれます。PCB基板はほぼすべての電子製品に使用されているため、PCBは民生用電子機器、情報機器、通信機器、医療機器、さらには航空宇宙などの分野で広く利用されています。PCBレイアウトは、想定される機能および性能に影響を与えるうえで不可欠な役割を果たしている。

PCBレイアウトの基本

In the process of drawing schematics withPCB設計ソフトウェア電子工学の略語を最初から習得することは不可欠です。というのも、先頭の3文字が用語を表すためによく使われるからです。例えば、RES は抵抗器（resistor）を表し、CAP はコンデンサ（capacitor）を表し、IND はインダクタ（inductor）を表します。したがって、次のような電子用語を習得することは非常に重要です。電圧、電流、オーム、ボルト、アンペア、ワット、回路、回路素子、抵抗、抵抗器、インダクタンス、インダクタ、キャパシタンス、コンデンサ、オームの法則、キルヒホッフの法則、キルヒホッフの電圧則（KVL）、キルヒホッフの電流則（KCL）、ループ、ネットワーク、受動2端子ネットワーク、能動2端子ネットワーク。

PCBレイアウトで考慮すべき不可避の問題

•最小距離

PCB設計ではフレームを設け、フレーム線と部品ピンとの最小距離を少なくとも2mm以上とし、5mmに設定するのが妥当です。

•コンポーネント配置

基本的に、デジタル回路とアナログ回路を含む回路システムにおいては、同じ種類に属する回路同士が体系的に結合されるよう、それらを分離して配置する必要があります。さらに、部品は信号の流れる方向、機能、およびモジュールに従って配置するべきです。

入力信号処理ユニットと出力信号駆動コンポーネントは、入出力信号線をできるだけ短くし、入出力干渉を低減するために、基板の端部付近に配置する必要があります。

部品の配置方向に関しては、部品は縦方向または横方向にのみ配置できます。部品間に比較的高い電位差が生じる場合、放電を防止できるよう、部品間の距離を十分に大きく取る必要があります。

中程度の実装密度のプリント基板に関しては、低電力部品間の距離ははんだ付けを基準に検討する必要があります。フローはんだ付けを採用する場合、部品間距離は 50mil から 100mil の範囲とすることができます。

PCBレイアウトにおける電源ラインとグラウンドラインの設計

PCB設計エンジニアにとって、グラウンドラインと電源ライン間で発生するノイズの原因を理解することは、それほど難しい作業ではありません。たとえPCBレイアウトが非常に優れていても、電源ラインおよびグラウンドラインの配置に対する検討不足による干渉は、製品性能を低下させ、場合によっては完全な故障を引き起こすことさえあります。したがって、以下の方法によって製品の品質を保証するために、可能な限りノイズ干渉を低減することがPCBレイアウトエンジニアの役割となります。

a. 広い面積の銅箔層をグランドラインとして使用し、未使用部分はすべてグランドに接続してグランドラインとして利用する必要があります。多層PCBの場合、電源ラインとグランドラインはそれぞれ異なる層に配置するべきです。

b. 電源ラインとグラウンドラインの間にはデカップリングコンデンサを追加する必要があります。

c. グランドラインおよび電源ラインの幅は、可能な限り広く設定する必要があります。グランドラインは電源ラインよりも広くするのが望ましいです。グランドライン、電源ライン、信号ラインの幅の関係は、グランドライン > 電源ライン > 信号ラインとなるように配置してください。

d. デジタル回路を用いたプリント基板では、広いグランド導体線を使用してループを形成する必要がある。

PCBレイアウトでEMIを低減するための3つのヒント

EMC（電磁両立性）の維持は、PCBレイアウトにおいて必須です。EMC を実装する目的は、EMI（電磁干渉）を可能な限り低減することにあります。EMI を減らすためには、電磁干渉源、結合経路、および被害側という次の3つの要素に注目する必要があります。

EMC を達成するためには、上記の要素から対策を講じる必要がある。まず、干渉源、結合経路および感受性デバイスを解析し、干渉源を抑制し、干渉結合を除去または低減し、感受性デバイスの干渉に対する応答を低減するか、電磁感受性レベルを向上させるための有効な対策を整理・立案しなければならない。

人為による干渉を抑制し、適用された技術的対策の有効性を検証するためには、組織的な対策も講じる必要がある。そのため、完全な規程および標準を整備し、周波数スペクトルを合理的に配分したうえで順守しなければならない。さらに、周波数、動作時間およびアンテナの指向性に応じて、スペクトルの利用を統制・管理し、動作モードを決定する必要がある。電磁環境を解析し、EMC 管理を実施したうえで、設置場所を選定しなければならない。

•電磁干渉源

EMI源とは、同じ環境内の人や機器に害を及ぼす、あるいは他の機器、サブシステム、またはシステム全体にEMI損傷を引き起こし、その結果として性能の低下や故障を招く、あらゆる種類（自然由来または電気機器から放射される）の電磁エネルギーを指す。

•結合経路

結合経路とは、EMI を伝送するために使用されるアクセスまたは媒体を指します。

•被害者

被害対象とは、EMI によって損傷を受ける人間またはシステムを指し、性能の低下や故障に見舞われる部品、機器、サブシステム、あるいはシステムを含む。