成功するPCB設計とレイアウトのための6つの必須ヒント

ほぼすべての電子回路にPCBレイアウトが含まれることをご存知ですか？ IoT時代において、PCBの需要と複雑さは日々増大しています。厳しく制約されたスペースに多数の電子部品を配置し、最適なルーティングを行うため、PCB設計は困難を極めます。PCBレイアウトを熟知し、初回で正しく仕上げることが不可欠です。

本記事では、材料と部品の選択、部品配置、PCBスタックアップ、PCBビアタイプ、電源、熱問題、基板制約など、PCB設計時に考慮すべき6つの必須事項について説明します。

1. 材料と部品

PCBに使用する材料と部品を検討する際、まずPCBが実行する機能、最終製品のおおよそのサイズ、PCBの他回路との相互接続、そしてもちろん製品内での配置など、関連する詳細を定義する必要があります。

一部の材料は極端な温度で動作可能ですが、他の材料は失敗しショートを引き起こす可能性があります。そのため、最終製品の動作温度を、PCBに選択する材料と部品に関連付けて考慮してください。

最後に、材料のコストと入手性を考慮してください。入手困難な材料を選ぶと、高価で調達に時間がかかり、最終的にPCB実装が遅延します。必要な部品を安定供給できるPCBサプライヤーを選ぶことを検討してください。その他の検討領域には、スペアパーツ、修理、交換があります。

2. PCBレイアウト部品配置

基板上への部品配置には、多くの問題解決スキルと創造性が必要です。誰もが独自の設計視点を持つため、あなたの部品配置は他人のアイデアとは異なるユニークなものになります。

PCBの製造を考慮してください。それが最終目標だからです。例えば、トランジスタのような同類の部品は、製造業者による設置と検査を容易にするため、配置時に同じ方向を向けるべきです。

個々の部品のサイズと高さを考慮してください。一部の部品は他より大きく、隣接配置時に基板上に不均一な凹凸を生じさせます。背の高い部品が低い部品を遮る可能性があり、基板がハンダ付けオーブンを通過して部品を基板に固定する際、ハンダ接合が不良になる恐れがあります。常に基板上の部品の高さと幅を考慮してください。同程度の寸法の部品を基板の一方に寄せて配置すれば、小さな部品が遮られることなくハンダ波が到達できます。

ルーティングスペースを確保してください。部品を互いに近接配置しすぎると、ルーティング開始時にスペースが足りなくなります。例えば集積回路は、基板周辺に接続すべき多数のピンを持ちます。スペース不足で設計レイアウトをやり直す事態を防ぐため、多数のピン接続を必要とする部品には十分な余地を与えてください。

3. PCBレイアウトスタックアップ

PCBスタックアップは、PCB全体の基盤を形成します。絶縁層と銅層の配置が関わります。スタックはPCB内の様々な層で構成され、各層での特性インピーダンスを確立できます。PCBの層数が多いほどコストは高くなります。

プリント基板は、異なる材料の層が接着剤でラミネートされています。最上層はシルクスクリーンで、文字や記号などの指示表示を追加します。最下層はFR4で、基板に剛性と厚みを与えます。次は銅層、その次はPCBに特徴的な緑色を与えるソルダーマスクです。最適な多層スタックアップは、放射と外部ノイズを最小化します。また、設計の電磁両立性を向上させ、コストを予算内に抑え、製造技術の効率を確保します。

4. PCBレイアウトビアタイプ

PCBビアは、基板の異なる層間の相互接続を可能にします。ビアは配線、パッド、その他の導電要素を接続し、電気的・熱的エネルギーが層間を移動するパスを提供します。基板に穴を開けてビアを作るため、各穴の配置とサイズを他のPCB部品に関連付けて考慮する必要があります。製造プロセスの効率化のため、基板上のすべてのビアを同一サイズにするのが良い習慣です。

基本的なビアタイプは3つあります：スルービア、ブラインドビア、ベリッドビア。スルービアは2つの可視外層を接続します。ブラインドビアは可視外層と不可視内層を接続します。ベリッドビアは2つの隠れた内層を接続します。その他のビアタイプには、トップ層からボトムまたは内部層へ熱を伝えるサーマルビア、ソルダーマスクで覆われ電気的・熱的成分の漏れを防ぐテントビアがあります。使用予定のビアタイプの能力について、PCBサプライヤーと話し合ってください。異なるビアには異なる電流容量があるためです。

5. 電源と熱問題

部品配置を正しく行うことは設計に不可欠ですが、それらの部品を動作させるには電源ルーティングも考慮する必要があります。電源層とグランド層は基板内部に配置し、中心対称にして基板のねじれや反りを防止すべきです。

熱問題は、大型基板、高密度、過剰な処理速度で影響します。こうした問題を避けるには、PCBが熱を放散できる必要があります。材料選定時に、大量の熱を発生する部品を特定し、それらから熱を逃がす方法を見つけてください。すぐに熱くなる部品周辺の表面スペースは、冷却のためのスペースが必要なため、重要なレイアウト設計考慮事項です。ヒートシンク、冷却ファン、サーマルリリーフの導入を検討できます。サーマルリリーフを追加する場所には、PCB層を通る熱沈降率を遅くするスルーホールビアなどがあります。

信号整合性に影響します。電磁干渉などの電気的問題が電子デバイスで発生することは予想されます。PCBがこうした問題を引き起こさないよう、配線を互いに平行に敷設しないでください。クロスオーバーが必要な配線については、直角で交差させ、容量結合と相互インダクタンスを最小化してください。

6. 基板制約

まず、設計するPCBの目的に応じて、基板のサイズと形状を考慮する必要があります。基板は、他のすべての部品を保持するPCBの主要コンポーネントです。PCBのサイズと形状を決定する要因には、機能性と搭載製品のサイズが含まれます。例えば、活動量計のようなウェアラブル製品には、テレビと比較してはるかに小さなPCBが必要です。

一部の製品は、基板が保持できる以上の回路を必要とします。このような状況では、より多くの機能を小さなエリアに詰め込める、多層高密度相互接続PCB（HDI PCB）を使用する必要があるかもしれません。HDI PCBは、スタックビアの強固な相互接続により、信頼性の向上レベルを確保します。HDI PCBのもう一つの利点は、部品の近接性により電気信号の移動時間を短縮できることです。

PCBレイアウトの問題

PCB実装段階。適切に設計された基板は、スターブドサーマル、不十分なアニュラリング、ソルダーマスク欠落、酸トラップなどのPCBレイアウト問題を回避するのに役立ちます。スターブドサーマルは、サーマルリリーフ配線と関連銅プレーンが不適切に接続されたときに発生します。ソルダーマスク欠落は、部品表（BOM）の基板実装時に、密な間隔の基板で発生しやすいです。酸トラップは、割り当てられたネットから配線が切断されることで、PCB基板にオープン回路を引き起こす可能性があります。ドリル穴位置ズレがアニュラリングの原因です。PCB製造ではレイアウト失敗の可能性が高く、最終製品の機能性に長期的に悪影響を及ぼす可能性があります。損失、不良プロトタイプ、時間浪費を招くこうした問題を回避するため、いくつかのPCBレイアウトルールを考慮することが不可欠です。

結論

本記事では、プリント基板設計時に考慮すべき様々な問題と、不適切に設計されたPCBが引き起こす可能性のある問題について説明しました。議論されたトピックには、部品配置、基板制約、PCBスタックアップ、材料と部品、電源と熱影響、PCBビアタイプが含まれます。

PCBの様々な部品を接続するため、導電経路を基板上に印刷します。接続が内部にあるため、全体的な設計の複雑さは大幅に軽減されます。集積回路、トランジスタ、抵抗などの要素は、ハンダ付けにより基板に実装されます。

PCBは、IoTデバイス、グラフィックカード、マザーボード、ネットワークインターフェースカード、テレビ、携帯電話、タブレットなどの機能に不可欠です。テクノロジーが進歩し続けるにつれ、PCBレイアウトの複雑さも増しています。そうは言っても、生産向けに設計を正しく行えば、高品質なプリント基板で報われます。最終製品は期待通り確実に動作し、予算内に収まるべきです。本記事が、良いPCBレイアウトに到達するためのガイドとなることを願っています。