プリント基板設計ガイド

プリント基板（PCB とも呼ばれる）は、今日あらゆる電子機器の中核を成しています。これらの小さな緑色の部品は、日常的な家電製品から産業用機械に至るまで、同様に不可欠な存在です。PCB の設計およびレイアウトは、あらゆる製品の機能にとって重要な要素であり、機器の成否を左右します。技術が絶えず進化する中で、これらの設計も進歩し続けてきました。今日では、電気技術者たちの革新のおかげで、これらの設計の複雑さと要求水準はかつてない高さに達しています。

PCB設計システムおよび技術の最近の進歩は、業界全体にわたって多大な影響を及ぼしてきました。その結果、PCB設計ルールそして、生産プロセスは新たなレイアウトと機能を実現するために進化してきました。現在では、より細い配線や多層基板は量産されるPCBにおいて一般的なものとなっており、そのような設計は数年前には考えられないものでした。PCB設計ソフトウェアもまた、この進歩に貢献しています。これらのプログラムは、電子エンジニアが基礎からより優れたPCBを設計するためのツールを提供します。

これらの機能が向上していても、PCB ボードのレイアウト設計は依然として困難です。最も経験豊富な電子エンジニアであっても、PCB 上に回路を作成したり、業界のベストプラクティスに従って PCB ボードを設計したりすることに苦労する場合があります。さらに難しいのは、顧客のニーズを満たす高品質なボードを作成することです。顧客仕様の設計では、PCB の機能性と設計上のベストプラクティスとのバランスを取ることは、手間のかかるプロセスです。そこで私たちは、いくつかの重要な PCB 設計ルールを含め、PCB を設計するプロセスをまとめました。

必要性の判断

主要なPCB設計工程の最初のステップは「ニーズ」です。ほとんどの電子エンジニアにとって、これらの要件は顧客によって定められ、PCBが満たさなければならないすべての条件が列挙されます。電子エンジニアは、その後、クライアントが挙げたニーズを電子的な形に変換しなければなりません。基本的には、それらを電子ロジックの言語に翻訳することを意味しており、エンジニアはPCBを設計する際にこの言語を用います。

プロジェクトの要件は、PCB の設計のいくつかの側面を決定します。これには、すべてが含まれます材料最終的なPCB自体の外観に至るまで、医療用や自動車用といったPCBの用途によって、PCBに使用される材料が決まることが多くあります。例えば、多くの医療用電子インプラント向けPCBはフレキシブル基板で作られています。これにより、狭い空間に収まると同時に、体内の有機的な環境にも耐えることができます。PCBの最終的な外観は、主にその回路と機能性によって決まり、たとえば、より複雑な多くのPCBは多層構造で作られています。

電子エンジニアはこれらのニーズを特定して一覧化し、その要件リストを用いてPCBの初期回路図およびBOMを設計します。

回路図

回路図設計は、本質的に、メーカーや他のエンジニアが開発および生産プロセスの間に使用する設計図です。回路図は、PCB の機能、設計の特性、および部品の配置を決定します。PCB のハードウェアもこの回路図に記載されます。この装置には、PCB の材料、設計に関与する部品、およびメーカーが生産プロセス中に必要とするその他すべての材料が含まれます。

これらすべての情報は、初期設計段階において回路図に含まれています。最初の回路図が完成すると、設計者は予備解析を行い、潜在的な問題を確認し、必要に応じて修正します。その後、回路図はPCB設計ソフトウェアで使用するための専用ツールにアップロードされ、機能を保証するためのシミュレーションを実行できます。これらのシミュレーションにより、エンジニアは初期の回路図チェックの際に見落としていたかもしれない設計上の誤りを発見することができます。その後、回路の電子設計は、部品間の接続性に関する情報を列挙した「ネットリスト」に変換することができます。

回路図の設計を検討する際、電子エンジニアは最初の段階から、いくつかの重要な基板設計の基本事項を念頭に置いておく必要があります。回路図作成の段階で取り入れるべきこれらの考慮事項には、次のようなものがあります。

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• •適切なPCBパネルサイズの選定使用する装置との互換性が最も高い基板サイズを選択することは、基本的でありながら、しばしば忘れられがちなベストプラクティスです。こうすることで、余分なスペースが無駄にならず、配線長を最小限に抑え、全体的な材料コストもある程度低く抑えられます。 しかし、量産に最適化された設計仕様になっていることを確認することが重要です。基板設計をあまりにも小さくしすぎると、個体差が大きくなりがちな量産環境では、小型設計が破綻してしまい、実現不可能になる場合があります。
• •正しいグリッドを選択グリッド間隔は常に設定され、ほとんどのコンポーネントに適用されます。このグリッドに従うことは、エンジニアがスペーシングの問題を回避するためにできる最も有益なことの一つであり、そのため作業に最適なものを選択することが極めて重要です。もし一部の部品がグリッドとうまく合わない場合、設計者は代替品を探すか、さらに望ましいのは自作の製品を使用するべきです。
• •可能な限りDRCを実装する多くのPCB組立会社は、設計プロセスの最後にしかデザインルールチェック（DRC）ソフトウェアを実行しないという誤りを犯しています。これにより、小さなミスや疑わしい設計上の選択が積み重なり、設計プロセスの終盤で多くの修正作業が発生してしまいます。そうではなく、設計者は可能な限り頻繁にDRCを用いて自分の作業を確認すべきです。これにより、DRCで特定された問題にできるだけ早く対処でき、設計プロセスの最後に発生する大規模な変更の数を最小限に抑えられます。その結果、時間の節約になり、編集プロセスが後ろ倒しにならず、よりスムーズになります。

部品表

回路図が作成されている間、電子エンジニアは同時に、詳細な部品表（Bill of Materials、BOM）も作成します。これは、PCB基板の回路図で使用される部品の一覧です。BOMと回路図の両方が完成すると、電子エンジニアはそれらをレイアウトエンジニアとコンポーネントエンジニアに引き継ぎます。これらのエンジニアは仕様を確認し、プロジェクトに必要な部品を調達します。特にコンポーネントエンジニアは、最大動作電圧および電流の観点から、回路図に適合する部品を選定する責任を負っています。また、妥当なコストとサイズの範囲内に収まる部品を選ぶことにも責任を持っています。

BOMコンポーネントが満たさなければならない最も重要な5つの側面は、次のとおりです。

• •数量購入される部品の数量は、少なくともBOMに記載されている部品の数量を満たしていなければなりません。
• •参照デザイン番号各コンポーネントは、PCB 上の回路内における位置に従って識別されなければなりません。
• •値各コンポーネントは、オームやファラドなどを含む特定の値の範囲内に収まる必要があります。コストは、クライアントが懸念している場合には考慮すべき要素です。
• •フットプリント各コンポーネントの位置を一覧にして記載しなければなりません。
• •メーカー品番不具合が発生した場合に備えて、組立作業者のためにもメーカーの参照用としても、部品番号を記録しておいてください。

これらの基本的なBOMガイドラインに加えて、BOMと回路図全体を作成する際には、いくつかの点を念頭に置いておくとよいでしょう。これらには、次のようなPCB設計上のヒントが含まれます。

• •コンポーネントを統合コンポーネントの選定は、デザイナーとして最も重要な作業のひとつです。このプロセスを支援するために、高値または低値のコンポーネントで、同様の効果を持つ個別コンポーネントを選択することができます。これらのコンポーネントを統合し、小さな標準値カテゴリを作成することで、部品表を効果的に簡素化し、製品コストを削減することができます。


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• •デカップリングコンデンサを適用する: デカップリング電源ラインを取り除いて設計を最適化しようとしてはいけません。多くの設計者は、コスト削減を誤って狙うあまり、これらのコンデンサを避けてしまいます。コンデンサは価格が安く、非常に耐久性が高いため、あなたの設計の寿命を延ばしてくれます。また、コンデンサはコストを抑えつつ、基板上の回路の整然さを維持するのにも役立ちます。BOM が気になる場合は、上記のヒントに注目してください。

PCB部品配置

各コンポーネントは、回路基板設計上でそれぞれ所定の位置を持つべきです。正しい配置を選択することが難しい部分です。要素の最適な配置場所を決定するかどうかは、熱管理、電気的ノイズの考慮、PCB 全体の機能など、設計者にとっての多くの要因と検討事項に依存します。しかし多くの場合、設計者は次の順序で部品を配置します。

• ・コネクタ
• ・電力回路
• ・高感度かつ高精度な回路
• ・重要な回路部品
• ・その他のすべての要素

設計サイクルのこの段階で念頭に置いておくべき、さらにいくつかの設計上の考慮事項には、次のようなものがあります。

• •懸念される構成要素と必要な試験ポイントの特定と区分PCB上に懸念のあるコンポーネントがある場合は、より迅速に故障を検出できるよう、必要なテストポイントの近くに配置してください。
• •シルクスクリーン印刷を柔軟に活用する: シルクスクリーン印刷は、PCB メーカー、エンジニア、組立業者、およびテスターがさまざまな工程で使用するための幅広い情報をマーキングすることができますPCB組立工程・シルクスクリーン上には、機能、テストマーク、部品および接続の実装方向を表示しておくとよいでしょう。手作業で組み立てる作業者に向けて方向を明確にしつつ、重複作業を避けて生産工程を簡素化するために、プリント基板の表面と裏面の両方にシルクスクリーンを適用するようにしてください。

これらの個々のコンポーネントをプリント基板設計上に配置した後、基板が適切に動作するかを確認するために、もう一度テストを行うのが最善です。これにより、問題のある設計上の選択を特定し、必要となり得る調整点を洗い出すのに役立ちます。

ルーティング

部品がプリント基板（PCB）上に配置されたら、PCB設計の基本における次のステップは、それらをすべて接続することです。基板上の各要素は、適切な配線によって実現されるパターン（トレース）によって相互に接続されます。しかし、配線は、設計者が考慮しなければならない多くの要素があるため、それ自体が独立した設計プロセスとなります。これらの要素には、電力レベル、信号ノイズに対する感度、信号ノイズの発生、および配線の実現可能性などが含まれます。

幸いなことに、ほとんどのPCB設計ソフトウェアは、回路図から作成されたネットリストを使用して配線を行います。プログラムは、接続に利用可能な層数を用い、スペースを最大限に活用できる最適な経路を計算することでこれを実行します。また、必要に応じて設計を変更します。これは、特に大規模なモデルでは多くの計算能力を要する場合があります。その結果、配線プロセスは長くなり、部品が特に高密度に配置されている場合には、プログラムにさらに多くの時間がかかることがあります。

ほとんどのPCBソフトウェアは、回路図からのネットリストに従って配線を行いますが、このようなソフトウェアが万能というわけではありません。すべてのPCB設計者が自動配線ソフトを使うわけではなく、たとえ使用している場合でも、問題がないか配線を再確認するのが一般的です。コンピュータであっても、設計者の意図に合わない結果を出すことがあるため、これは常に望ましい習慣と言えます。

配線幅に関する一般的な経験則として、幅が 10～20 mil の配線は 10～20 mA の電流を流すことができます。一方、幅が 5～8 mil の配線は、10 mA 未満の電流しか流せません。これは、大電流を扱う PCB 設計や、信号が急激に変化する PCB 設計において特に重要な検討事項です。高周波ノードへ配線する場合には、特定の配線幅が要求されるためです。

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• •電源ラインとグラウンドラインを適切に配分するほとんどのPCB設計者は、1つの回路層をグラウンドプレーンとして使用するために割り当てます。別の層は通常、電源プレーンとして割り当てられます。これは、PCB内のノイズレベルを低減し、設計者が低いソース抵抗の接続を作成できるようにするのに役立ちます。良いPCB設計手法の1つは、可能な限り電源プレーンに従って配線を分配することです。これにより、十分なグラウンドループ経路を確保しつつ、効率を向上させ、インピーダンスを低減することができます。
• •短いトレースを維持する設計のあらゆる段階で、配線（トレース）は可能な限り短くなるようにしてください。ほとんどの PCB 実装プロセスには配線長を最適化する工程が含まれていますが、これは設計の各段階で実践されるべきです。特に、アナログ回路や高速デジタル回路を扱う場合には、このルールをより厳密に守る必要があります。自動車や通信機器によく用いられるこれらの種類のプリント回路は、インピーダンスや寄生効果の影響をより強く受けます。

チェック

設計を確認することは、設計プロセスにおいておそらく最も重要なステップです。このプロセスのこの段階では、設計に関するあらゆる要素を検討し、PCB設計を悩ませる潜在的な問題を探します。

例えば、PCB 設計における一般的な問題の一つが熱です。完全な熱設計がなされた PCB は、基板全体の温度を一貫して均一に保ち、ホットスポットの発生を防ぐことができます。しかし、そのようなホットスポットや温度の不均一性は、銅箔の厚みのばらつき、PCB の層数、PCB 基板サイズの大型化、熱経路の有無など、さまざまな設計要素によって引き起こされる可能性があります。

シンプルな設計チェックによって、PCB の放熱管理における潜在的な問題を発見することができ、多くの PCB DRC ソフトウェアでもそれらを検出できます。PCB の動作温度を下げる方法はいくつかあり、その多くは PCB 設計の基本によって軽減されます。これらの熱管理のためのヒントのいくつかには、次のようなものがあります。

• ・PCB の発熱源には、より多くの層を持つソリッドグラウンドまたは電源プレーンを直接接続してください。これらのプレーンは、より多くの銅を含む傾向があるため、一般的に放熱性能に優れています。
• ・熱および大電流の有効な経路を確立して、熱を誘導・放散できるようにします。これにより、熱伝達を最適化することができます。
• • 熱伝達に使用される面積を最大化します。これにより、基板全体の温度をより低く保つことができます。ただし、これは基板のサイズに影響を与える可能性があるため、設計プロセスの初期段階で考慮しなければなりません。

ほとんどの DRC ソフトウェアは、前述の問題を検出できます。DRC ソフトウェアは PCB 設計に関するすべての詳細を取り込み、そのレイアウトがあらかじめ定められたパラメータの一覧を満たしているかどうかを判断します。これらは PCB 設計ルールと呼ばれます。理想的には、前述したように、DRC は設計プロセス全体を通して使用し、問題のある箇所を早期に特定すべきです。しかし、他のすべてがうまくいかなかった場合でも、すべてが完了した後に DRC を使用することで、多くの設計時間を節約し、設計者と組立会社の間の混乱を防ぐことができます。

設計プロセスのチェック工程には、DRC チェックだけでなく、レイアウト対回路図（LVS）チェック、XOR チェック、電気的ルール（ERC）チェック、アンテナチェックなど、いくつかの他の物理検証プロセスも含まれます。より高度な PCB メーカーは、歩留まりを向上させるために追加のチェックやルールを用いる場合がありますが、これらが設計者とメーカーが一般的に用いる基本的なチェックです。

さらに、提出前に製造パラメータを確認することは、良い習慣です。最終設計を生産に回す前に、設計者は自ら PCB 製造パラメータを生成し、検証するべきです。ほとんどのメーカーは、クライアントのために設計ファイルをダウンロードして検証することをいとわないものの、送付前に設計を再確認しておく方が望ましいです。これにより、混乱や誤解を避けられるだけでなく、不適切なパラメータで製造してしまうことによる損失も防ぐことができます。この検証ステップは、製造開始前に設計を修正・再検証するために必要な時間を短縮し、プロセスを迅速化することにもつながります。

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