PCBを製造するためにどのように準備しますか？設計のベストプラクティスによるPCBアセンブリの高速化
この記事では、リードEEでMacroFabの共同創設者であるParker Dillmanが、製造と組み立てのためにPCB設計を最適に準備する方法について説明します。
この記事では、EEのリーダーでMacroFabの共同創設者であるParker Dillmanが、製造と組み立てのためにPCB設計を最適に準備する方法について説明します。
これは一般的な状況です。あなたはハードウェア開発者であり、次の製品の締め切りが迫っています。悪いプロトタイプPCBはプロジェクトを数週間遅らせるので、このリスクを減らす必要があります。 PCBを最初に正しく、迅速に、問題なく組み立てることが最も重要です。
これらの潜在的な問題を最小限に抑えるために、次のプロトタイプを製造するための準備に役立つヒントのリストをまとめました。
フットプリントとパッケージを再確認する
フットプリントがコンポーネントのパッケージと一致していることを確認することが、製造上のハングアップを回避するための最初の方法です。 PCBを1：1の縮尺で紙に印刷し、パーツをオーバーレイするという昔ながらの方法は、一部のコンポーネントがどれほど小さくなり、BGAコンポーネントのようなパッケージの接点の下にあるかを考えると、今のところしか進んでいません。
フットプリントの寸法がデザインの単位（mmまたはmil）と一致していることを再確認してください。
一部のコンポーネントメーカーは不親切で、コンポーネントの機械的なレイアウトを、透明で透明なPCBを下から見ているように描いています。必ずこれに注意してください。
図1。 QFN20パッケージのSiliconLabsEFM8UB10F8G。 EDAツールで描画されたレイアウトをデータシートのランディングパターンと比較します。
EDAツールで投影線と寸法線を描画できる場合は、コンポーネントのデータシートの機械製図と一致する方法でフットプリントを測定する価値があるかもしれません。データシートの測定単位とフットプリントを確認します。
これは、回路図面記号とコンポーネントのフットプリントの間のマッピングを確認する良い機会でもあります。電圧レギュレータのピン配列、ディスクリートMOSFET、およびトランジスタは、一般的かつ簡単に反転します。
極性のあるコンポーネントは、極性のマーキングが明確にマークされていることを確認するために、フットプリントをチェックする必要があります。これには、ICピン1のマーキング、ダイオードのカソードのマーキング、および分極コンデンサのマーキングが含まれます。
図2。 CREELEDのピン1のマーキング。
テスト済みの部品の代替品を豊富に取り揃えています
主要部品が利用できず、代替品が事前にテストおよび承認されていない場合、生産の一般的な遅延が発生します。部品に実行可能な代替品があるが、回路または製品のクリティカルパスにある場合は、プロトタイプを作成し、製品に移行する前に各代替品でテストすることを強くお勧めします。これにより、将来的に代替部品に切り替える際のリスクが軽減されます。
図3。 NRNDまたは新しいデザインには推奨されないとしてマークされたMouserの寿命の一部
直接の代替品がない独自の部品（マイクロコントローラー、専用センサーなど）がある場合は、部品の製造からの部品の寿命を確認してください。メーカーは、製造中止が予定されているコンポーネントを「新しい設計には推奨されない」とマークします。
通常、メーカーは部品を製造するための設定された寿命を保証し、部品が寿命（EoL）になる時期をユーザーに通知します。コストのかかる製品の再設計を防ぐために、必要な部品が製品の製造寿命の終わりまで利用可能であることを確認してください。
事前に認定された無線モジュールを利用する
製品でBluetoothまたはWiFiを使用している場合は、事前に認定された無線モジュールの使用を検討してください。これらのモジュールは事前に設計され、パッケージ化されたシステムであり、関連するFCC識別番号で正しく機能することが保証されています。事前に認定された無線モジュールを使用すると、ワイヤレスシステムが適切に機能する可能性が高まり、FCCおよびCEの無線放射コンプライアンステストに失敗する可能性も低くなります。
図4。 パーティクルフォトンの事前認証済み無線モジュールを搭載したOSBeehivesのBuzzBox。 OSBeehivesの画像提供。
ワイヤレスアンテナのレイアウトを検討する
PCBにワイヤレス接続をロールバックすることによるコスト削減に見合う価値があると判断した場合、アンテナのPCBレイアウトが重要になります。ほとんどのワイヤレス接続部品（トランシーバー）については、メーカーのデータシートから推奨されるレイアウトがあります。推奨されるレイアウトに従うことが、成功への最短ルートになる可能性があります。
PCBレイアウトを行う際に注意すべきことがいくつかあります。まず、トランシーバーとアンテナの間でインピーダンスを一致させる必要があります。次に、トランシーバーのデータシートには、適切なアンテナの選択、チューニングフィルターの設計、および最大のパフォーマンスに必要な正しいインピーダンスに関する詳細が記載されている必要があります。
独自のワイヤレス接続を設計する場合は、製品のコンプライアンス前テストを実行することを強くお勧めします。コンプライアンス前のテストにより、設計に関する明らかな問題が検出されることを願っています。クロック、発振器、および伝送スペクトルで目的の周波数高調波を探します。
デカップリングコンデンサを忘れないでください
電気部品には安定した電圧源が必要であり、デカップリングコンデンサをPCBのすべてのアクティブ部品の近くに含める必要があります。デカップリングコンデンサは、コンポーネントの電源ピンにできるだけ近い場合に最適に機能します。
図5。 デカップリングコンデンサにより、このTexas InstrumentsLVDSが保証されます コンバーター はスムーズなパワーを持っています。
複数の電源ピンを持つ大きなコンポーネントの場合、各電源ピンにデカップリングコンデンサが必要になる場合があります。センサー、ADC、FPGAなどの電力に敏感な部品には、グランドピン用のデカップリングキャップも含めることができます。デカップリングコンデンサは、コンデンサの性能を向上させるため、電源とコンポーネントからインラインにする必要があります。
図6。 バイパスまたはデカップリングコンデンサは、電源からインラインに配置する必要があります。
適切なトレース幅と間隔でボードを保護する
大電流トレースは、PCBを焼き尽くさないように適切なサイズにする必要があります。オンラインのトレース幅計算機を使用して計算することをお勧めします。ボードの外側のトレースは、外部のトレースが発生した熱を放散しやすいため、内部よりも多くの電流を処理できます。熱を抑えるために、トレース幅計算機の温度上昇を10℃に指定してみてください。ただし、それほど広いトレースの余地がない場合は、ほとんどのアプリケーションで20ºCの温度上昇で十分です。
トレースを十分に広くルーティングできない場合は、電流能力を高めるために、より厚い銅のウェイトに移動する必要があります。ただし、銅のウェイトの厚さを増やすと、デザインルールチェック（DRC）のトレース幅と間隔の問題が最小限に抑えられる可能性があるため、それを考慮に入れてください。通常、銅の重量で厚くなると、トレースの幅とスペースが大きくなり、PCBあたりの単価が高くなります。
図7。 電圧絶縁を高めるために、パッド間にルートが切り取られています。画像提供：MAKESafeToolsのScottSwaaley
見過ごされがちな問題は、高電圧トレースが互いに十分に分離されていることを確認することです。製品が主電源電圧に接続されている場合は、電圧がエアギャップを飛び越えて短絡しないようにする必要があります。
適切な電源レギュレータのルーティングを選択してください
組み込みシステムの電圧レギュレータには、リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの2つの主要なタイプがあります。タイプごとに、PCBのレイアウトとルーティングに関するガイドラインが異なります。
リニアレギュレータの操作
リニアレギュレータは過剰な電圧を受け取り、それを排熱に変換します。これは非効率的ですが、リニアレギュレータは通常、正しく動作するために外部コンデンサのみを必要とし、スイッチングレギュレータよりもノイズが少ない可能性があります。リニアレギュレータを正しく使用するには、次の2つを確認する必要があります。
- コンデンサの選択を検討してください。 レギュレータをバイパスするために使用されるコンデンサのタイプ、値、および位置については、製造元のガイドラインに従ってください。通常、コンデンサはレギュレータの入力ピンと出力ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。
- 暑さに注意してください。 一般に、これは、レギュレーター用に選択したパッケージが、発生する熱量を処理できること、およびレイアウトがそれをサポートできることを確認することを意味します。銅を注ぎ、ステッチを介してここであなたの友達になります。銅の注入が十分に大きくない場合は、ヒートシンクが必要になります。
図8。 銅製のリニア電圧レギュレータ 注ぐ 放熱用。
スイッチングレギュレータの操作
スイッチングレギュレータはリニアレギュレータよりも効率的ですが、設計がより複雑です。通常、熱はスイッチングレギュレータの問題ではありませんが、スイッチングレギュレータが正しく機能するように、コンポーネントを慎重に選択する必要があります。また、スイッチングレギュレータは、不要な電磁界（EMF）を生成し、製品のFCC / CEコンプライアンス段階で障害を引き起こす可能性が高くなります。
- 推奨されるレイアウトに従ってください メーカーから密接に。 これらのレイアウトは、正しく機能することがテストされています。
- スイッチャーのフィードバックループをできるだけ小さくします。 これにより、EMFと寄生抵抗、インダクタンス、および静電容量が減少します。
- スイッチャーレギュレータの出力コンデンサのESRおよびESL定格に細心の注意を払ってください。 コンポーネントを探す場合、通常、スイッチングレギュレータのデータシートに値を設定する場所が記載されています。
スイッチャーの設計には、Texas InstrumentsWebenchを使用するのが好きです。希望する仕様の複数の設計を生成し、スイッチャーを正しく設計するために必要なインダクターとコンデンサーの部品番号を提供します。
大きな銅の痕跡と注ぎ口の熱緩和を含める
サーマルリリーフ付きの銅パッドは、パッドを銅トレースに接続するか、直接接続するのではなく、より小さな狭いトラックを使用して注ぐことによって作成されます。サーマルリリーフは、コンポーネントをパッドにはんだ付けする際の熱負荷を軽減します。これにより、銅が熱をすばやく放散するためにはんだ接合部が冷える可能性が低くなります。
図9。 接続の適切なはんだ付けを促進するための大きなSMTパッドのサーマルリリーフ。
サーマルリリーフエリアを通過する現在の負荷に注意する必要があります。これらが狭すぎるように設計されていると、一方向ヒューズになってしまう可能性があります。
SMTアセンブリの設計を最適化する
できるだけ多くのSMTコンポーネントを使用すると、製造コストと組み立て時間の両方にプラスの影響があります。 SMTコネクタは、コネクタが製品の組み立て中にのみ接続される場合（製品の組み立て中に内部リチウム電池を取り付けるなど）に作成できます。
図10。 スルーホールコネクタのはんだ付けを高速化するためのウェーブパレットツール。
スルーホール部品が必要になる場合があります。人間と接続するコネクタは、操作中に部品が強制的に取り外されないように、ほとんどの場合スルーホールにする必要があります。スルーホール部品を使用する場合は、契約メーカーと協力して、ウェーブはんだ付けまたは選択的はんだ付けを最適化するために部品の周囲にどれだけのスペースを残す必要があるかを確認してください。他のコンポーネントがスルーホール接点に近すぎる場合、契約製造業者はコネクタを手はんだ付けする必要があり、組み立てプロセスが遅くなり、コストが増加する可能性があります。
デザインルールチェックを再確認する
デザインルールチェックを再確認することは、おそらくこのリストで最も重要な項目です。デザインルールについては、製造元に確認してください。ほとんどのメーカーには、さまざまなレベルのスケーリング設計ルールがあります。より大きく、より標準的なデザインルールを回避できる場合は、そうする必要があります。
デザインファイルを製造元に送信する前に、最後にDRCを実行して、次のことを確認することをお勧めします。
- デザインルールチェック（DRC）を実行する
- 接続とルートを確認する
- EDAツールの「エアワイヤー」または「ラットライン」を使用して、信号ネット上で相互に接続されているパーツパッドを視覚的に示します。
- 日付コード、PCBバージョン管理、またはメタデータのシルクスクリーンテキストを更新します
まとめ
この記事がPCB設計プロセスの改善に役立ち、PCBアセンブリを注文して製品の生産を拡大する際のリスクを軽減するのに役立つことを願っています。事前組み立てを計画すればするほど、生産上の問題は少なくなります。
詳細については、All About Circuitsチームへのインタビューを確認し、FAB前および制作上の考慮事項について作成したチェックリストをお読みください。
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