PCBの作成に取り掛かるとき、多数のドキュメントを作成します。これらのドキュメントには次のものが含まれます：

• ハードウェアの寸法図： ベアボードのサイズについて説明します
• 回路図： ボードの電気的特徴をマップします
• 部品表： プロジェクトに必要なコンポーネントについて説明します
• レイアウトファイル： PCBの基本的なレイアウトについて説明します
• コンポーネント配置ファイル： 個々のコンポーネントの場所を説明します。
• 組立図と手順： ボードの組み立て方法を説明します
• ユーザーガイド： 必須ではありませんが、ユーザーに追加情報を提供するのに役立ちます
• ガーバーファイルセット： PCBメーカーがPCBを作成するために使用するレイアウトの出力ファイルのコレクション

PCBレイアウト設計の考慮事項

PCBのレイアウトと設計に関して考慮すべきことがたくさんあります。プロセス全体に適用される考慮事項もあれば、特定のステップに固有の考慮事項もあります。覚えておくべき7つの関連する要素があります。

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1。ボードの制約

最初に確認する必要がある制約は、ベアボードに関連する制約です。これらの基本的な制約には、ボードのサイズと形状が含まれます。

回路に十分なボードエリアがあることを確認する必要があります。最終製品のサイズ、ボードが提供する必要のある機能、およびその他の要因によって、ボードのサイズが決まります。電子製品とそれに組み込まれる回路基板はますます小さくなっています。設計プロセスを開始する前に、ボードのサイズを見積もります。より単純な設計で必要なすべての機能に十分なスペースがない場合は、多層または高密度相互接続（HDI）設計を使用する必要があります。

標準のPCBは長方形です。これは、圧倒的に、PCBの最も一般的な形状のままです。ただし、他の形式でボードを作成することは可能です。 PCB設計者は、サイズの制約や不規則な形状の製品での使用のために、これを行うことがほとんどです。

もう1つの重要な考慮事項は、必要なレイヤーの数です。これは、電力レベルと設計の複雑さが決定に役立ちます。レイアウト設計プロセスの早い段階で、必要な数を把握するのが最善です。レイヤーを追加すると、制作コストが増加する可能性がありますが、より多くのトラックを含めることができます。これは、高度な機能を備えたより複雑なボードで必要になる場合があります。

少なくとも2つのビアを使用して、すべての大電流パスのレイヤー遷移を作成します。層の遷移で複数のビアを使用すると、信頼性が向上し、熱伝導率が向上し、誘導損失と抵抗損失が減少します。

2。製造プロセス

ボードの製造に使用する製造プロセスも検討する必要があります。方法が異なれば、制限と制約も異なります。ボード上の製造プロセスで機能する参照穴またはポイントを使用する必要があります。穴にコンポーネントがないことを常に確認してください。

また、ボードの取り付け方法にも注意してください。アプローチが異なれば、ボードのさまざまな領域を開いたままにしておく必要がある場合があります。スルーホールコンポーネントと表面実装コンポーネントの両方など、複数のテクノロジータイプを使用すると、ボードのコストが増加する可能性がありますが、場合によっては必要になることがあります。

常に製造業者に問い合わせて、必要なタイプのボードを製造できるかどうかを確認してください。たとえば、多くの層を備えたボードや、柔軟な設計を使用したボードを製造できない場合があります。

3。材料とコンポーネント

レイアウト段階では、ボードに使用する予定の材料とコンポーネントを検討してください。まず、目的のアイテムにアクセスできることを確認する必要があります。見つけるのが難しい材料や部品もあれば、非常に高価で高額な部品もあります。コンポーネントや材料が異なれば、設計上のニーズも異なる場合があります。

時間をかけて、ボードに最適な材料とコンポーネントを選択し、それらのアイテムの長所を生かしたボードを設計したことを確認してください。

4。コンポーネントの配置注文

最も基本的なPCB設計ガイドラインの1つは、ボードにコンポーネントを配置する順序に関係しています。推奨される順序は、コネクタ、電源回路、精密回路、重要な回路、残りの要素の順です。電力レベル、ノイズ感受性、生成およびルーティング機能も、回路のルーティング優先度に影響を与えます。

5。オリエンテーション

コンポーネントを配置するときは、互いに類似しているコンポーネントを同じ方向に向けるようにしてください。これにより、はんだ付けプロセスがより効率的になり、はんだ付け中にミスが発生するのを防ぐことができます。

6。配置

メッキされたスルーホール部品の後ろにあるPCBのはんだ側に部品を置かないようにしてください。

7。組織

コンポーネントを論理的に整理することで、必要な組み立て手順の数を減らし、効率を高め、コストを削減できます。すべての表面実装コンポーネントをボードの片側に配置し、すべてのスルーホールコンポーネントを上面に配置することを目指します。

電力、地上、信号トレースに関する考慮事項

上記のヒントは、PCBコンポーネントの配置に焦点を当てています。これらのコンポーネントが希望どおりに機能するためには、電源、グランド、および信号のトレースもルーティングする必要があります。このステップを効率的に完了すると、ボードが適切に機能し続けるために、信号が確実に移動できるようになります。覚えておくべき5つの要素があります。

1。電源およびグランドプレーン

基本的なPCBレイアウトの設計ルールの1つは、電源プレーンとグランドプレーンをボード内に内部的に保持することです。また、ボードの曲がりやねじれを防ぐために、中央に配置して対称にする必要があります。曲がると、コンポーネントが所定の位置から外れ、ボードが損傷する可能性があります。その他の推奨事項には、各電源に共通のレールを使用すること、信頼性の高い広範なトレースがあることを確認すること、コンポーネントを接続するためのデイジーチェーンを作成しないことなどがあります。

電源回路の高電圧は、低電圧および電流制御回路に干渉する可能性があります。パワーグラウンドとコントロールグラウンドの配置を使用して、この干渉を最小限に抑えることができます。各電源ステージのグラウンドを分離しておくようにしてください。いくつかを一緒に配置する必要がある場合は、それらが供給経路の終わりに向かっていることを確認してください。グランドプレーンがボードの中間層にある場合は、電源回路の干渉を防ぐために小さなインピーダンスパスを含めます。

同様の方法で、デジタルとアナログの根拠を分離しておく必要もあります。容量結合を減らすために、アナログラインがアナロググランドと交差するようにしてください。

2。トラックデザイン

このステップには、回路図に従って信号トレースを接続することも含まれます。トレースは常にできるだけ短く、直接的なものにする必要があります。 PCBの片側に水平トレースルーティングがある場合は、反対側に垂直トレースを配置します。

ボードには、必要なネット幅を決定する、異なる電流の複数のネットが必要な場合があります。トレース幅計算機を使用すると、この手順に役立ちます。細いトラックは、それほど多くの電流しか運ぶことができません。 0.010インチまたは10ミルの厚さのトラックは、約1アンペアの電流しか流せませんが、250ミルの厚さのトラックは、摂氏30度の温度上昇で15アンペアを運ぶことができます。

3。パッドと穴の寸法

また、PCB設計プロセスの早い段階でパッドと穴の寸法を決定する必要があります。パッドと穴のサイズが小さくなると、適切なパッドと穴のサイズ比を得ることがより重要になります。ビアホールを操作する場合は特に重要です。ベアPCBメーカーは、必要な標準とアスペクト比に関するガイドラインを提供できる場合があります。

もう1つの重要な考慮事項は、PCBパッドの形状です。 PCBフットプリントは、製造プロセスによって異なります。ウェーブはんだ付けは通常、たとえば赤外線リフローはんだ付けよりも大きなフットプリントを必要とします。

4。シグナルインテグリティとRFの問題

PCBレイアウト設計は、シグナルインテグリティを確保し、無線周波数干渉または電磁干渉と呼ばれることが多い干渉などの電気的問題を防止する上で重要な役割を果たします。

これらの問題を回避することは、トレースをルーティングする方法と大きく関係しています。信号の問題を防ぐために、トラックを互いに平行に走らせることは避けてください。パラレルトラックではクロストークが増えるため、PCBを構築した後は修正が難しいさまざまな問題が発生する可能性があります。トラックが互いに交差する必要がある場合は、それらが直角に交差することを確認してください。これにより、ライン間の静電容量と相互インダクタンスが減少し、クロストークが減少します。

低電磁放射を生成する半導体コンポーネントを使用することも、シグナルインテグリティに役立ちます。ただし、他のニーズでは、より高い電磁発生を備えた部品が必要になる場合があります。

PCBを設計するときは、電磁エネルギーを放射する可能性のあるアンテナ、および高周波を運ぶ信号とグラウンドリターンラインの大きなループを排除します。短い相互接続ラインを実現するには、集積回路を慎重に配置する必要があります。

PCB上に近接したグランドグリッドを配置することは、リターンラインが信号ラインに近いことを保証するのに役立つもう1つの重要なRFPCBレイアウト設計ガイドラインです。これにより、有効アンテナ面積が比較的小さく保たれます。多層基板では、グランドプレーンを使用してこれを実現できます。

5。熱の問題

熱の問題は、設計プロセスのさまざまな部分に影響を与える可能性があります。ボードが大きく、コンポーネント密度が高く、処理速度が速いボードでは、熱に関連する問題が多くなる傾向があります。小さいボードの場合、それらは問題にならないかもしれませんが、より高度なボードの場合、それらは重要な課題になる可能性があります。

熱に関連する問題を防ぐには、熱を放散させる必要があります。まず、大量の熱を発生するコンポーネントを特定します。各コンポーネントの熱抵抗定格は、そのデータシートで確認できるはずです。次に、そのコンポーネントから熱をそらすための推奨ガイドラインに従うことができます。

高温になる可能性のあるすべてのコンポーネントの周囲に十分なスペースを確保してください。彼らが作り出す熱が多ければ多いほど、彼らはより多くの領域を冷やす必要があります。重要なコンポーネントを熱源の近くに配置しないことも重要です。

理想的には、ボード全体が同じ動作温度になります。熱伝導性平面を使用して広範囲に熱を放散します。これにより、熱伝達に使用される表面積が増えるため、温度が下がる速度が速くなります。

ボードに熱の問題が大きい場合は、冷却ファン、ヒートシンク、サーマルリリーフを含める必要があります。これらは、多層ボードや銅含有量の高いアセンブリでのウェーブはんだ付けに不可欠です。ヒートシンクペーストは、微細に分散した固体粒子で満たされたポリマーを使用して作成できます。このペーストは、スクリーン印刷またはステンシル印刷を使用して適用できます。乾燥またはベーキングプロセスの後、それは固定され、ヒートシンクとして機能します。

スルーホールコンポーネントにサーマルレリーフを使用することを常にお勧めします。これにより、コンポーネントプレートからのヒートシンクの速度が遅くなります。原則として、ビアまたは穴が地面または電源面に接続するときは常に、サーマルリリーフパターンを使用してください。トレースとパッドが出会う場所でティアドロップを使用して、追加のサポートを提供し、熱応力を軽減することもできます。

テストの重要性

PCB設計プロセス全体、および残りのPCB製造プロセス全体を通して、作業を継続的にチェックする必要があります。問題を早期に発見することで、問題の影響を最小限に抑え、問題を修正するためのコストを削減できます。

実行する必要がある2つの一般的なテストは、電気的ルールチェックとデザインルールチェックです。これらのテストは、発生する可能性のあるより重大な問題の多くを解決するのに役立ちます。

ERCおよびDRCテストに問題なく合格できたら、すべての信号のルーティングを確認し、ボードを回路図と詳細に比較する必要があります。