PCBレイアウト-PCBを設計する際に考慮すべき6つの重要事項

ほとんどすべての電子回路にPCBレイアウトが含まれていることをご存知ですか？モノのインターネットのこの時代では、PCBの需​​要と複雑さは日々増大し続けています。 PCBの設計は、特にいくつかの電子部品と最適なルーティングを厳しく制限されたスペース内に配置するため、威圧的になる可能性があります。 PCBレイアウトの使い方を知ることは、最初にそれを正しくするために重要です。

この記事では、材料とコンポーネントの選択、コンポーネントの配置、PCBスタックアップ、PCBビアタイプ、電力、熱の問題、ボードの制約など、PCBを設計する際に考慮すべき6つの重要事項について説明します。

1。材料とコンポーネント

印刷に使用する予定の素材とコンポーネントを、関連する詳細について検討する必要があります。最初に、PCBが実行する必要のある機能、最終製品のおおよそのサイズ、PCBと他の回路との相互接続、そしてもちろん、製品内での配置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する可能性があります。他のものは失敗し、短絡を引き起こす可能性があります。このため、プリント回路基板に選択する材料とコンポーネントに関して、最終製品の動作温度に注意してください。

最後に、材料のコストと入手可能性を検討してください。見つけにくい材料を選ぶと、見つけるのに費用と時間がかかる可能性があり、最終的にはPCBの組み立てが遅れます。 PCBに必要なコンポーネントの安定した供給を維持できるPCBサプライヤーを選択することを検討してください。考慮すべきその他の領域には、スペアパーツ、修理、交換などがあります。

2。 PCBレイアウトコンポーネントの配置

ボード上にコンポーネントを配置するには、多くの問題解決スキルと創造性が必要です。誰もが独自の設計の視点を持っているため、コンポーネントの配置は他の人のアイデアとは異なります。

それが最終目標であるため、PCBの製造を検討してください。たとえば、トランジスタなどの志を同じくするコンポーネントは、製造元による設置と検査を容易にするために、配置するときに同じ方向を向く必要があります。

個々のコンポーネントのサイズと高さに注意してください。一部のコンポーネントは他のコンポーネントよりも大きくなり、隣り合わせに配置すると回路基板に不均一なバンプが生じる可能性があります。背の高いディテールによっては、短い要素がブロックされる場合があります。また、ボードをはんだ付けオーブンに通して部品をボードに彫刻すると、はんだ接合部の接続が不十分な状態でボードが戻る場合があります。ボード上のコンポーネントの高さと幅を常に考慮してください。同様の寸法の詳細をボードの片側に配置して、はんだ付け波がブロックされることなく小さな部品に到達するようにすることができます。

ルーティング用のスペースを確保します。コンポーネントを近づけすぎると、ルーティングを開始するときに手の届かないところに配置されます。たとえば、集積回路には、ボードの周りに接続するピンがたくさんあります。スペースが不足してデザインレイアウトを飛び越えないようにするには、プロセスを簡単にするために多数のピンを接続する必要があるコンポーネント用に十分なスペースを確保してください。

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。これには、絶縁層と銅層の配置が含まれます。スタックはPCB内のさまざまな層で構成されており、各層で特性インピーダンスを確立できます。 PCBの層が多いほど、コストが高くなります。

プリント回路基板には、接着剤でラミネートされたさまざまな材料の層があります。最上層は、文字や記号などの他のインジケーターをボードに追加するシルクスクリーンです。最下層はFR4で、ボードに剛性と厚みを与えます。次は銅層で、PCBに独特の緑色を与えるはんだマスクが続きます。最適な多層スタックアップにより、放射と外部ノイズが最小限に抑えられます。また、設計の電磁両立性を強化し、コストを予算内に抑え、製造技術の効率を確保します。

4。タイプによるPCBレイアウト

PCBビアにより、ボードの異なる層間の相互接続が可能になります。ビアは、トレース、パッド、およびその他の導電性要素を結合し、ある層から別の層に移動する電気および熱エネルギーの経路を提供する場合があります。ボードにドリルで穴を開けてビアを作成するため、他のPCBコンポーネントに関する各穴の配置とサイズを考慮する必要があります。製造プロセスを効率化するには、ボード上のすべてのビアが同じサイズであることを確認することをお勧めします。

ビアには、スルービア、ブラインドビア、埋め込みビアの3つの基本的なタイプがあります。スルービアは、2つの目に見える外部レイヤーを接続します。ブラインドビアは、目に見える外側の層と目に見えない内側の層を接続します。埋設ビアは、2つの隠れた内部層を接続します。他のタイプのビアには、最上層から最下層または内部層に熱を伝達するための熱ビア、および電気的および熱的コンポーネントの漏れを防ぐためにはんだマスクで囲まれたテンテッドビアが含まれます。ビアが異なれば通電能力も異なるため、PCBサプライヤと使用する予定のビアタイプの機能について必ず話し合ってください。

5。電力と熱の問題

コンポーネントの配置を取得することは設計にとって重要ですが、それらのコンポーネントを機能させるには、電力ルーティングも考慮する必要があります。電源プレーンとグランドプレーンは、ボードの内部にあり、ボードがねじれたり曲がったりするのを防ぐために、中央に対称に配置する必要があります。

熱の問題は、密度が高く、処理速度が速すぎる大型の回路基板に影響します。このような問題を回避するには、PCBで熱を放散させる必要があります。材料の選択中に、大量の熱を発生するコンポーネントを特定し、それらから熱をそらす方法を見つけます。急速に熱くなる部品の周囲の表面スペースは、冷却するためのスペースが必要になるため、レイアウト設計の重要な考慮事項です。ヒートシンク、冷却ファン、およびサーマルリリーフを含めることを検討してください。サーマルリザーブを追加する場所には、PCB層を介したヒートシンクの速度を遅くするスルーホールビアが含まれます。

シグナルインテグリティに影響します。電子機器の電磁干渉などの電気的問題を予期する必要があります。 PCBがそのような問題を引き起こさないようにするために、トラックを互いに平行に配置することは避けてください。相互に交差する必要があるレコードの場合、静電容量と相互インダクタンスを最小限に抑えるために、レコードが直角であることを確認してください。

6。ボードの制約

まず、設計するPCBの目的に応じて、ボードのサイズと形状を考慮する必要があります。ボードは他のすべての部品を保持するため、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、目的の製品の機能とサイズが含まれます。たとえば、アクティビティトラッカーなどのウェアラブル製品は、テレビに比べてはるかに小さいPCBを必要とします。

一部の製品では、ボードが保持できるよりも多くの回路を備えたPCBが必要です。このような状況では、より多くの機能をより小さな領域に詰めることができる多層高密度相互接続PCB（HDI PCB）を使用する必要がある場合があります。高密度相互接続は、スタックビアの相互接続が堅牢であるため、信頼性のレベルが向上します。 HDI PCBのもう1つの利点は、コンポーネントが近接しているため、電気信号の移動にかかる時間が短縮されることです。

PCBレイアウトの問題

PCBアセンブリ段階。適切に設計されたボードは、熱不足、環状リングの不足、はんだマスクの欠落、酸トラップなどのPCBレイアウトの問題に遭遇するのを防ぐのに役立ちます。熱不足は、サーマルリリーフトレースと関連する銅面が不適切に接続されている場合に発生します。 PCBの部品表（BOM）がボードに取り付けられるときに、間隔の狭いボードではんだマスクの欠落が発生する可能性があります。酸トラップは、割り当てられたネットからの切断トレースが原因で、PCBボード上で開回路を引き起こす可能性があります。ドリルヒットを逃すと、環状リングが発生します。 PCBの製造において考慮することが重要です。レイアウトが失敗する可能性が高く、最終製品の機能に悪影響を与える可能性があります。損失、プロトタイプの不良、時間の浪費につながるこのような問題を回避するためのPCBレイアウトルールがいくつかあります。

結論

この記事では、プリント回路基板を設計する際に考慮すべきさまざまな問題と、設計が不十分なPCBが引き起こす可能性のあるいくつかの問題について説明しました。議論されるいくつかのトピックには、コンポーネントの配置、ボードの制約、PCBスタックアップ、材料とコンポーネント、電力と熱の影響、およびPCBビアタイプが含まれます。

PCBのさまざまなコンポーネントを接続するために、ボードに導電性の経路を印刷します。接続は内部で行われるため、全体的な設計の複雑さが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、はんだ付けによってボードに取り付けられます。

PCBは、IoTデバイスや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イスカード、テレビ、携帯電話、タブレットなどの機能に不可欠です。技術が進歩し続けるにつれて、PCBレイアウトの複雑さも進歩します。そうは言っても、設計を生産に適したものにすることは、高品質のプリント回路基板で報われるでしょう。最終製品は、期待どおりに確実に機能するだけでなく、予算内に収まる必要があります。この記事が、優れた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。