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プリント基板設計ガイド


PCB とも呼ばれるプリント回路基板は、今日のすべての電子部品の中核を成しています。これらの小さな環境に優しいコンポーネントは、日常の電化製品や産業用機械に不可欠です。 PCB の設計とレイアウトは、製品の機能の重要な構成要素です。これが、機器の成功または失敗を決定するものです。テクノロジーの絶え間ない進化により、これらのデザインは進化し​​続けています。今日、電気技術者の革新のおかげで、これらの設計の複雑さと期待は新たな高みに達しています。


PCB 設計システムとテクノロジの最近の進歩は、業界全体に大きな影響を与えています。その結果、PCB のデザイン ルールと製造プロセスが進化し、新しいレイアウトと機能が実現されました。今日、大量生産された PCB では、より小さなトラックと多層基板が一般的になっています。そのような設計は、何年も前には前例のないものでした。 PCB 設計ソフトウェアも、この進歩に役立っています。これらのプログラムは、電子技術者がゼロからより優れた PCB を設計できるツールを提供します。



これらの改善された機能があっても、PCB ボード レイアウトの設計は困難です。最も経験豊富な電子技術者でさえ、PCB 上に回路を作成することや、業界のベスト プラクティスに従って PCB ボードを設計する方法に苦労することがあります。さらに難しいのは、顧客のニーズを満たす高品質のボードを作成することです。顧客の設計では、PCB の機能と設計のベスト プラクティスとのバランスを取ることは複雑なプロセスです。これが、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の概要を説明した理由です。

必要性の判断

主要な PCB 設計ステップの最初のステップが必要です。ほとんどの電子技術者にとって、これらの要件は PCB が満たさなければならないすべての要件をリストする顧客によって決定されます。次に、電子技術者は、クライアントによってリストされたニーズを電子形式に変換する必要があります。基本的に、これは電子ロジックの言語に変換することを意味します。これは、エンジニアが PCB を設計するときに使用するものです。



プロジェクトのニーズによって、PCB の設計のいくつかの側面が決まります。これには、材料から PCB 自体の最終的な外観までのすべてが含まれます。医療や自動車などの PCB の用途によって、PCB の材料が決まることがよくあります。たとえば、電子インプラント用の医療用 PCB の多くは、柔軟なベースで作られています。これにより、内部の有機環境にも耐えながら、小さなスペースに収まります。 PCB の最終的な外観は、主にその回路と機能によって決まります。たとえば、より複雑な PCB は複数の層で作られています。


電子技術者は、これらのニーズを特定して一覧表示し、この要件の一覧を使用して、PCB の初期回路図と BOM を設計します。

回路図


回路図設計は、本質的に、開発および生産プロセス中にメーカーや他のエンジニアが使用する青写真です。回路図は、PCB の機能、設計の特性、およびコンポーネントの配置を決定します。 PCB のハードウェアもこの回路図にリストされています。この機器には、PCB の材料、設計に関係するコンポーネント、製造プロセス中にメーカーが必要とするその他の材料が含まれます。


このすべての情報は、設計の初期段階で回路図に含まれています。最初の回路図を完成させた後、設計者は予備分析を行い、潜在的な問題をチェックし、必要に応じて編集します。回路図は、PCB 設計ソフトウェアで使用する特別なツールにアップロードされ、シミュレーションを実行して機能を確認できます。これらのシミュレーションにより、エンジニアは、最初の回路図チェックで見逃した可能性のある設計エラーを見つけることができます。その後、回路の電子設計は、コンポーネントの相互接続に関する情報をリストする「ネットリスト」に変換できます。


回路図の設計を検討する際、電子技術者は最初からいくつかの重要な回路基板設計の基本に留意する必要があります。回路図の開発段階で実装するこれらの考慮事項には、次のようなものがあります。


部品表


回路図が生成されている間、電子エンジニアは詳細な部品表 (BOM) も作成します。これは、PCB ボード回路図で使用されるコンポーネントのリストです。 BOM と回路図の両方が完成すると、電子エンジニアはレイアウト エンジニアとコンポーネント エンジニアの両方に引き継ぎます。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コンポーネントを入手します。具体的には、コンポーネント エンジニアは、最大動作電圧と電流に関して回路図に適合するコンポーネントを選択する責任があります。また、合理的なコストとサイズのパラメーター内に収まる機器を選択する責任もあります。


BOM コンポーネントが満たさなければならない 5 つの最も重要な側面には、次のものが含まれます。


これらの基本的な BOM ガイドラインに加えて、BOM と一般的な回路図の両方を策定する際に、いくつかの考慮事項を念頭に置いておくことをお勧めします。これらには、次の PCB 設計のヒントが含まれます:

PCB コンポーネントの配置

各コンポーネントは、回路基板設計上に指定された場所を持っている必要があります。正しい配置を選択するのは難しい部分です。要素に最適な場所を決定することは、熱管理、電気ノイズの考慮事項、PCB 全体の機能など、設計者にとってさまざまな要素と考慮事項に依存します。ただし、ほとんどの場合、設計者は次の順序でコンポーネントを配置します:


設計サイクルのこの段階で留意すべき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。



これらの個々のコンポーネントをプリント回路設計に配置した後、別のテストを完了してボードの適切な動作を確認することをお勧めします。これは、問題のあるデザインの選択を特定し、潜在的な調整を特定するのに役立ちます。

ルーティング

コンポーネントを PCB に配置したら、PCB 設計の基本の次のステップは、それらをすべて接続することです。ボード上の各要素は、適切な配線によって実現されるトレースによって接続されます。ただし、ルーティングには、設計者が考慮しなければならない多くの考慮事項があるため、独自の設計プロセスが必要です。これらの要因には、電力レベル、信号ノイズ感度、信号ノイズの生成、およびルーティング機能が含まれます。


幸いなことに、PCB 設計ソフトウェアの大部分は、回路図から作成されたネットリストを使用してトレースを配線します。プログラムは、接続に使用できるレイヤーの数を使用し、スペースを利用するための最適なルートを計算することでこれを行います。プログラムは、必要に応じてデザインも変更します。これには、特に大規模なモデルの場合、多くの計算能力が必要になる可能性があります。その結果、ルーティング プロセスが長くなります。コンポーネントが特に高密度に配置されている場合、プログラムはさらに時間がかかる可能性があります。


ほとんどの PCB ソフトウェアは、回路図のネットリストに従ってトレースを配線しますが、このソフトウェアは普遍的ではありません。すべての PCB 設計者が自動ルーティング ソフトウェアを使用しているわけではありません。コンピューターでさえデザイナーが好まない結果を生成する可能性があるため、これは常に良い方法です。


トレースの一般的な経験則では、幅が 10 ～ 20 ミルのトレースは 10 ～ 20 mA の電流を流すことができます。一方、幅が 5 ～ 8 ミルのトレースは、10 mA 未満の電流を流すことができます。これは、大電流の PCB 設計、または信号が急速に変化する PCB の設計では特に重要な考慮事項です。高周波ノードへの配線には特定のトレース幅が必要になるためです。




Checks

Checking the design is possibly the most important step of the design process. This segment of the process considers everything about the design, looking for potential problems that plague PCB designs.


For example, a common problem in PCB designs is heat. PCB with a perfect thermal design can keep the entire board a consistent and uniform temperature, preventing heat spots. However, such heat spots and temperature inconsistencies can be caused by any number of design features, such as copper thickness variations, the number of layers in the PCB, larger PCB board sizes and the presence or absence of thermal paths.



A simple design check can catch potential problems in PCB heat management, most PCB DRC software can pick them up as well. There are several methods to reduce PCB operational temperatures, many of which are mitigated by PCB design basics. A few of these heat-managing tips include:


Most DRC software can catch the aforementioned problems. The DRC software takes all the details about a PCB design and determines whether the layout satisfies a list of predetermined parameters. These are called PCB design rules. Ideally, as previously mentioned, the DRC should be used throughout the design process to identify problem areas early on. However, if all else fails, using DRC after everything else is complete can save a lot of design time and confusion between the designer and the assembly company.


The check step of the design process doesn't just include the DRC check - it also includes several other physical verification processes, including a layout-versus-schematic (LVS) check, an XOR check, an electrical rule (ERC) check and antenna check. More advanced PCB manufacturers may use additional checks and rules to improve yield, but these are the basic checks designers and manufacturers typically use.


Furthermore, it's good practice to verify manufacturing parameters before submission. Before submitting the final design for production, the designer should personally generate and verify the PCB manufacturing parameters. Though most manufacturers are willing to download and verify design files for their client, it's better to double-check the design before sending it in. This can help avoid any confusion or misunderstanding and can avoid losses due to manufacturing with incorrect parameters. This verification step can also expedite the process by decreasing the amount of time needed to correct and reverify the design before manufacturing starts.

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