予備的な段階としてPCB製造プロセスPCB レイアウトは、PCB 設計において最も重要な段階の 1 つであり、その品質は本質的に PCB 配線の品質を決定し、それがさらに最終的な PCB の信頼性と機能性に影響を与える。そのため、合理的な PCB レイアウトは、高品質な PCB 基板への道を切り開くと言える。一方、不合理な PCB レイアウトは、機能性および信頼性の面で問題を引き起こす可能性がある。よく設計された PCB レイアウトは、PCB 表面の実装面積を節約するだけでなく、回路の性能も保証するという点で、より多くの利便性をもたらす。
PCBレイアウトには主に、インタラクティブレイアウトと自動レイアウトの2種類があります。一般的に言えば、自動レイアウトは、その後インタラクティブレイアウトによって調整が行われるための枠組みを構成します。PCBレイアウトの際には、配線の具体的な状況に応じてゲート回路の再配置を行うことができます。2つのゲート回路を入れ替えることで、配線にとって最も扱いやすい、最適なレイアウトにすることができます。
PCBレイアウトの完了後、関連する情報やデータが回路図に示されている内容と一致するように、PCB設計ファイルや回路図上にいくつかの情報を記載することができます。その結果、PCB設計の作成および修正の両方において同期した変更を維持することができます。さらに、アナログデータの更新が行われ、電気的性能および機能に関するボードレベルの検証を実施することが可能になります。
基本的に言えば、PCBレイアウトは次の2つの基本的なルールに従うべきです。
1). PCB レイアウトは高品質であることを確保する必要があります。
2). PCB レイアウトは外観が整然として明瞭であり、部品が基板表面に均等に配置されている必要があります。
上記の二つの側面において製品が満足のいく性能を示したとき、その製品は完璧であると見なすことができる。
ガイドライン#1. ループはできるだけ短くすること。
ループ、特に高周波ループは、できるだけ短くする必要があります。小さなループは一般的にインダクタンスと抵抗が低く、外部ソースから導かれる、あるいはノードによって伝送される信号がノードに結合する量を減らすのに役立ちます。ループをグラウンドプレーン上に配置すれば、インダクタンスを低減できます。また、オペアンプ回路のループもできるだけ短く保つことで、回路にノイズが結合するのを防ぐことができます。
ガイドライン#2. サーマルビアは適切な位置に配置すること。
ビアは、PCB の一端から反対側へ熱を伝達します。これは、基板がシャーシ上のヒートシンクに取り付けられている場合に特に有効です。このような条件下では、シャーシがさらに熱を放散します。大きなビアは、小さなビアよりも熱放散効率が高くなります。複数のビアは、単一のビアよりも熱放散の面で効率的であり、部品の動作温度を低減します。動作温度が低いほど、信頼性は高くなります。
ガイドライン#3. ビアのサイズと数量は、適切に配置されていなければならない。
ビアにはインダクタンスと抵抗の両方の特性があります。PCB基板の一端から他端まで配線を行う予定で、比較的低いインダクタンスまたは抵抗が求められる場合には、複数のビアを使用することができます。大きなビアはより低い抵抗を持ちます。この方法は、フィルタコンデンサや大電流ノードをグラウンドに接続する際に特に有効です。
ガイドライン#4. 熱に弱い部品の取り扱いに注意してください。
発熱部品は、熱を発生する部品から十分に離れた位置に配置する必要があります。熱に敏感な部品には、熱電対および電解コンデンサが含まれます。熱電対が熱源の近くに配置されている場合、温度測定値に影響が出る可能性があります。電解コンデンサが発熱部品の近くに配置されている場合、電解コンデンサの動作寿命が短くなります。発熱部品としては、ダイオード、インダクタ、ダイオード、ブリッジ整流器、MOSFET、および流れる電流に応じて発熱量が変化する抵抗などが考えられます。
ガイドライン#5．デカップリングコンデンサは慎重に配置すること。
デカップリングコンデンサは、デカップリング効率を最大化するために、IC の電源ピンまたはグランドピンの近くに配置する必要があります。コンデンサを離れた場所に配置すると、寄生容量が発生します。インダクタンスを低減するために、コンデンサの端子とグランドプレーンの間には複数のビアを設ける必要があります。
ガイドライン#6. サーマルパッドは賢く配置すること。
サーマルパッドの設定は、配線やフィルと部品ピンとの距離をできるだけ小さくすることを目的としており、これははんだ付けに有利です。接続が小さいほど、抵抗低減の観点からは短くなります。部品ピンにサーマルパッドを適用しない場合、部品の温度はより低くなります。配線やフィルを直接接続することで、より良好な熱接続が得られ、放熱に役立ちます。しかし、その場合はんだ付けやはんだの除去がより困難になります。
ガイドライン#7. デジタルおよびノイズの経路は、アナログ回路から離して配置すること。
平行な配線や導体は、容量の発生を引き起こす可能性があります。配線同士が近すぎる位置にあると、特に比較的高い周波数において、回路上で信号が結合しやすくなります。高周波信号やノイズを含む配線は、ノイズの影響を受けさせたくない配線から十分に離して配置する必要があります。
ガイドライン#8. 配線パターンと実装用ビアの間隔は適切に配置すること。
感電の危険を防ぐために、銅配線や銅箔と取り付け用ビアの間には十分な間隔を確保する必要があります。ソルダーレジストは信頼できる絶縁体ではないため、銅とあらゆる取り付け用ハードウェアとの間にも十分な距離を保つ必要があります。
ガイドライン#9. PCBレイアウトでグラウンドに十分注意を払わないと、グラウンドは危険なものになり得ます。
グラウンドは理想的な導体ではないため、ノイズグラウンドを静かな信号から離して配置する際には注意が必要です。グラウンド配線は、流れる電流を十分に運べるよう、十分な太さを確保する必要があります。信号配線の下にグラウンドプレーンを配置することで、配線インピーダンスを低減でき、これは理想的な状態と言えます。
ガイドライン#10. PCB基板はヒートシンクとして扱うこと。
表面実装部品の周囲には、放熱のための余分な表面積を確保できるよう、より多くの銅を配置する必要があります。これは効率を高める手法であり、同様のガイドラインは一部の部品のデータシートにも記載されています。
一度PCBレイアウト完了したら、次のステップに進む前に、以下のヒントに基づいて PCB レイアウトを慎重に確認してください。
1). ボードサイズが、回路図に示されているものや PCB 製造技術要件と互換性があるかどうか、また基準マークがあるかどうかを確認する必要があります。
2). コンポーネントは、二次元および三次元空間において競合がないことが保証されなければならない。
3). すべての部品がきれいに、かつ均一に配置されていることを確認するために、部品を点検する必要があります。
4). 交換が必要となる部品については、交換または改造が可能であることを確認するために点検しなければならない。
5). 熱に敏感な部品と発熱部品との間には、十分な距離が確保されている。
6). 調整可能な部品は、容易に調整できることが保証されなければならない。
7). 放熱エリアにはヒートシンクを設け、スムーズな気流が確保されている必要があります。
8). 信号の流れはスムーズであり、相互接続はできるだけ短くすること。
