信頼性とコスト効率を高める必須PCBレイアウト戦略

目次：

• 基本的なPCB設計ステップ
• 設計ドキュメンテーション
• PCBレイアウトと設計の考慮事項
• テストの重要性
• CADによるPCBレイアウト問題の解決
• PCBサプライヤーの選定

 

プリント基板のレイアウト設計は、信頼性が高くコスト効率に優れた基板を作る上で極めて重要です。回路設計と部品選定も不可欠ですが、PCBレイアウトに十分な時間を確保することが常に必要です。今日の基板はより複雑、コンパクト、軽量化が進んでおり、最適なPCBレイアウト設計の決定には多くの要素が関わります。フレックス基板の人気上昇もプロセスを複雑にしています。

重要なPCBレイアウト考慮事項を考慮しないと、現実世界でうまく機能しない設計になりかねません。不適切なレイアウトは、電磁干渉、基板両面の部品競合、基板機能の制限、さらには基板の完全な故障など、いくつかの問題を引き起こす可能性があります。さらに、レイアウトを最初から正しく行わなければ、再作業が必要となり、製造遅延とコスト増加を招きます。

では、念頭に置くべきPCBレイアウト設計ルールと考慮事項とは何でしょうか？PCBレイアウト設計のステップを見て、各フェーズの核心的な考慮事項を特定しましょう。もちろん他にも考慮すべき点はありますが、これらは認識しておくべきPCBレイアウト設計の最も重要な側面の一部です。

 

基本的なPCB設計ステップ

PCB設計は、PCBが必要だと分かってから最終生産まで、プリント基板生産プロセスのあらゆる段階で役割を果たします。基本的な設計プロセスは6ステップで構成されます。

 

1. コンセプト

PCBの必要性を特定した後、次のステップは基板の最終コンセプトを決定することです。この初期フェーズでは、PCBが持つ機能と実行内容、特徴、他の回路との相互接続、最終製品での配置、おおよその寸法を定義します。また、基板が動作するおおよその温度範囲とその他の環境上の懸念も考慮します。

2. 回路図

次のフェーズは、最終コンセプトに基づいて回路図を描くことです。この図には、基板の電気的コンポーネントを適切に機能させるために必要なすべての情報に加え、コンポーネント名、値、定格、メーカー部品番号などの詳細が含まれます。

回路図を作成している間に、部品表（BOM）も作成します。このBOMには、PCBに必要なすべてのコンポーネントに関する情報が含まれます。これら2つのドキュメントは常に最新の状態に保ってください。

 

3. 基板レベルブロック図

次に、PCBの最終寸法を記述する基板レベルブロック図を完成させます。電気的な理由や制約により接続されているコンポーネントのセクションである各ブロックの指定領域をマークします。関連コンポーネントをまとめて配置することで、トレースを短く保つことができます。

 

4. コンポーネント配置

次のステップはコンポーネント配置で、各要素を基板のどこに配置するかを決定します。多くの場合、コンポーネント配置の改善を何度か繰り返します。

5. 初回配線

次に、回路の配線と配線優先順位を決定します。

 

6. テスト

設計を完了したら、すべてのニーズを満たしているか確認するため一連のテストを実施します。満たしていれば設計完了です。そうでなければ、調整が必要なフェーズに戻ります。

設計ドキュメンテーション

PCBを作成する過程で、多数のドキュメントが作成されます。これらのドキュメントには以下が含まれます：

• ハードウェア寸法図： ベアボードのサイズを記述
• 回路図： 基板の電気的特徴をマッピング
• 部品表（BOM）： プロジェクトに必要なコンポーネントを記述
• レイアウトファイル： PCBの基本レイアウトを記述
• コンポーネント配置ファイル： 個々のコンポーネントの位置を記述
• 組み立て図面と手順： 基板の組み立て方法を説明
• ユーザーガイド： 必須ではないが、ユーザーへの追加情報提供に有用
• ガーバーファイルセット： PCB製造業者が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コレクション

 

PCBレイアウト設計の考慮事項

PCBレイアウトと設計には考慮すべきことがたくさんあります。一部はプロセス全体に適用され、一部は特定のステップ固有です。ここに留意すべき7つの関連要因を示します。

 

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1. 基板の制約

最初に見るべき制約は、ベアボードに関連するものです。これらの基本的な制約には、基板のサイズと形状が含まれます。

回路に十分な基板面積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、基板が提供しなければならない機能、その他の要因が基板の大きさを決定します。電子製品とそれらに組み込まれる回路基板はますます小型化しています。設計プロセスを開始する前に、基板のサイズを推定してください。よりシンプルな設計で必要なすべての機能を盛り込む十分なスペースがない場合、多層基板や高密度相互接続（HDI）設計を使用する必要があるかもしれません。

標準的なPCBは長方形です。これは依然として、PCBの最も一般的な形状です。しかし、他の形状で基板を作ることも可能です。PCB設計者がこれを行うのは、サイズ制約や不規則な形状の製品での使用のためであることが最も多いです。

もう一つの重要な考慮事項は、必要な層数です。これは電力レベルと設計の複雑さによって決めるとよいでしょう。レイアウト設計プロセスの早い段階で必要な層数を把握するのがベストです。層を増やすと製造コストは上がりますが、より多くのトラックを配置できるようになります。これは、高度な機能を持つより複雑な基板では必要となる場合があります。

すべての大電流パスの層間遷移には、少なくとも2つのビアを使用してください。層間遷移で複数のビアを使用すると、信頼性が向上し、熱伝導性が改善され、誘導損失と抵抗損失が減少します。

 

2. 製造プロセス

基板の製造に採用したい製造プロセスも考慮する必要があります。異なる方法には異なる制約と限界があります。製造プロセスに適合する参照穴やポイントを基板上で使用する必要があります。常に穴がコンポーネントから離れていることを確認してください。

また、基板の実装方法も念頭に置いてください。異なるアプローチでは、基板の異なる領域を開けておく必要がある場合があります。スルーホールと表面実装の両方のコンポーネントなど、複数の技術タイプを使用すると基板コストが増加しますが、場合によっては必要となります。

常に製造業者に確認し、必要なタイプの基板を製造する能力があるかどうか確かめてください。一部の業者は、例えば多層基板やフレックス設計を使用した基板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

レイアウトフェーズで、基板に使用する材料とコンポーネントを検討します。まず、希望するアイテムが入手可能かどうかを確認する必要があります。一部の材料と部品は入手困難で、またコストが高すぎて採算が合わないものもあります。異なるコンポーネントと材料には、異なる設計ニーズが伴う場合もあります。

基板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強みを活かした基板設計になっているか、時間をかけて確認してください。

 

4. コンポーネント配置順序

最も基本的なPCB設計ガイドラインの一つは、基板上にコンポーネントを配置する順序です。推奨順序は、コネクタ、電源回路、精密回路、クリティカル回路、そしてその他の要素の順です。電力レベル、ノイズ感受性、発生、配線能力も、回路の配線優先順位に影響します。

 

5. 方向

コンポーネントを配置する際、互いに類似したものを同じ方向に向けるようにしてください。これにより半田付けプロセスがより効率的になり、プロセス中のミスを防止できます。

 

6. 配置

メッキスルーホール部品の後ろに位置するはんだ面側に部品を配置しないでください。

 

7. 整理

コンポーネントを論理的に整理することで、必要な組み立てステップ数を減らし、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基板の片面に、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てください。

 

電源、グランド、信号トレースの考慮事項

上記のヒントはPCBコンポーネント配置に焦点を当てていました。これらのコンポーネントを意図通りに動作させるには、電源、グランド、信号トレースの配線も必要です。このステップを効率的に完了することで、信号が確実に移動する信頼性の高いパスを確保し、基板を正常に機能させることができます。ここに留意すべき5つの要因を示します。

 

1. 電源プレーンとグランドプレーン

基本的なPCBレイアウト設計ルールの一つは、電源プレーンとグランドプレーンを基板内部に配置することです。これらは中心にあり、対称的であるべきで、基板の反りやねじれを防止します。反りはコンポーネントを位置からずらし、基板を損傷する可能性があります。その他の推奨事項には、各電源に共通レールを使用すること、信頼性が高く広範なトレースを確保すること、コンポーネント接続にデイジーチェーンを作らないことなどが含まれます。

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。電源グランドと制御グランドの配置を利用して、この干渉を最小限に抑えることができます。各電源段階のグランドを分離しておくようにしてください。一部を一緒に配置する必要がある場合は、電源パスの末端付近に配置してください。グランドプレーンが基板の中間層にある場合、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てください。

また、デジタルグランドとアナロググランドも同様に分離しておくべきです。アナログラインのみがアナロググランドを横切るようにし、容量性結合を減らしてください。

 

2. トラック設計

このステップでは、回路図に従って信号トレースを接続します。トレースは常に可能な限り短く、直接的にしたいものです。PCBの片面に水平トレースルーティングがある場合、もう片面には垂直トレースを配置してください。

基板には異なる電流を持つ複数のネットが必要な場合があり、これが必要なネット幅を決定します。トレース幅計算ツールを使用するとこのステップに役立ちます。細いトラックには限られた電流しか流せません。厚さ0.010インチ（10ミル）のトラックでは約1アンペアの電流しか流せませんが、250ミル厚のトラックでは、30℃の温度上昇で最大15アンペアまで流せます。

 

3. パッドと穴の寸法

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につれ、適切なパッド対穴のサイズ比を得ることがより重要になります。これはビアホールを扱う際に特に重要です。ベアPCB製造業者が、要求する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。

もう一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る場合があります。例えば、ウェーブはんだ付けでは、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が必要になることが一般的です。

 

4. 信号品質とRF問題

PCBレイアウト設計は、信号品質を確保し、干渉（無線周波数干渉や電磁干渉と呼ばれることが多い）などの電気的問題を防ぐ上で重要な役割を果たします。

これらの問題を回避するには、トレースのルーティング方法が大きく関わります。信号問題を防ぐには、トラックを互いに平行に配線しないでください。平行トラックはクロストークが多くなり、PCBを製造した後では修正が困難なさまざまな問題を引き起こす可能性があります。トラックが互いに交差する必要がある場合、直角で交差するようにしてください。これにより線間の容量と相互インダクタンスが減少し、結果として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、信号品質の向上に役立ちます。ただし、他のニーズにより、より高い電磁放射を持つ部品が必要になる場合もあります。

PCB設計時には、電磁エネルギーを放射するアンテナや、高周波を伝える信号とグランドリターンラインの大きなループを排除してください。集積回路を慎重に配置し、短い相互接続ラインを実現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、リターンラインを信号線に近づけるもう一つの重要なRF PCBレイアウト設計ガイドラインです。これにより実効アンテナ面積を比較的小さく保ちます。多層基板では、グランドプレーンでこれを実現できます。

 

5. 熱的問題

熱的問題は、設計プロセスの多くの部分に影響を与える可能性があります。大型基板や、コンポーネント密度が高く、処理速度が高い基板は、熱関連の問題が多くなりがちです。小型基板では懸念にならないかもしれませんが、より高度な基板では重大な課題となり得ます。

熱関連問題を防ぐには、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てください。各コンポーネントの熱抵抗定格はデータシートで確認できるはずです。それから、そのコンポーネントから熱を逃がすための推奨ガイドラインに従ってください。

熱く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。発熱量が多いほど、冷却により多くの面積が必要です。クリティカルなコンポーネントを発熱源の近くに配置しないことも重要です。

理想的には、基板全体が同じ動作温度を持つべきです。熱伝導性プレーンを使用して広い領域に熱を放散させ、熱伝達に使用される表面積を増やすことで温度低下の速度を上げます。

基板の熱的問題が重大な場合、冷却ファン、ヒートシンク、サーマルリリーフを組み込む必要があるかもしれません。これらは、多層基板でのウェーブはんだ付けや、高銅含有量の実装にとって重要です。ヒートシンクペースト（微細に分散した固体粒子で充填されたポリマー）を使用してヒートシンクを作成できます。このペーストはスクリーン印刷やステンシル印刷で塗布できます。乾燥または焼成プロセスを経て固定され、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は常にサーマルリリーフを使用することをお勧めします。これにより、コンポーネントプレートへの熱沈み込み速度が遅くなります。一般的なルールとして、ビアまたは穴がグランドプレーンまたは電源プレーンに接続される場合は、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接する部分にティアドロップを使用して、追加のサポートを提供し熱ストレスを軽減することもできます。

 

テストの重要性

PCB設計プロセス全体を通じて、またPCB製造プロセスの残りの過程でも、継続的に作業を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、その影響を最小限に抑え、修正コストを削減できます。

実施すべき一般的なテストは、電気的ルールチェック（ERC）と設計ルールチェック（DRC）です。これらのテストは、遭遇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とDRCのテストを問題なくパスしたら、すべての信号のルーティングをチェックし、基板を回路図と詳細に比較してください。

 

CADによるPCBレイアウト設計問題の解決

今日、ほとんどのPCB設計者は高度なコンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアシステムを使用してPCBを作成しています。同様に、製造業者はコンピュータ支援製造ソフトウェアを使用しています。これらのシステムを使用することで、遭遇する可能性のある多くのレイアウト問題を解決できます。これらのソフトウェアシステムを使用する利点には以下が含まれます：

• シンプルで半自動化された設計プロセス： CADプログラムでは、必要な場所にコンポーネントをドラッグ＆ドロップできます。多くのシステムではトレースさえ自動で作成し、その後コンポーネントの移動、追加、削除、再ルーティングが可能です。このアプローチにより、設計プロセスの効率と精度が向上します。
• 設計検証： 設計を製造段階に送る前に、CADシステムを使用して公差、互換性、コンポーネント配置、その他の側面を検証できます。多くのシステムでは基本的なエラーをリアルタイムで検出し、その影響を最小限に抑えたり排除したりできます。
• 製造ファイル生成： CADシステムでガーバーファイルやその他必要なファイル形式を生成し、製造業者に送信できます。設計ソフトウェアから直接これらのファイルを作成することで、精度を高め、製造段階へのスムーズな移行を確保できます。
• ドキュメンテーション： これらのシステムを使用して、コンポーネント使用、エラーレポート、設計ステータス、バージョン管理などに関連する詳細なドキュメントを生成・保存でき、将来のプロジェクトに役立ちます。
• ルール作成： これらのプログラムの一部では、カスタムルールセットを作成・保存でき、設計者と共有してソフトウェアの機能性を向上させられます。
• テンプレート作成： 将来のプロジェクトで使用するテンプレートを作成することもできます。一度設計を作成すれば、それを保存し、他のプロジェクトのテンプレートとして再利用できます。
• 効率向上とコスト削減： コンピュータ支援設計を業務に取り入れることで、設計プロセスの効率と精度が向上し、全体的なコストが削減されます。

 

PCBサプライヤーの選定

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