PCB設計マスター：効率的な回路基板構築のための11の必須テクニック

回路基板の設計や構築において、最終設計に至るまでが永遠にかかるように感じることがあります。それは、銅とはんだをいじって最終的にプリント基板を印刷しようとしたり、スルーホール技術やパッド・ビアを用いたレイアウト設計、信号品質の問題など、設計上の問題が原因かもしれません。

正しい手順をステップバイステップで実行すれば、将来のミスを防ぎ、万一間違った側にいてもトラブルシューティングが苦痛ではなくなります。早速始めましょう。

1. 基板レイアウトと層スタックの検証

長年この仕事をしているなら、設計ソフトウェアをどれだけよく知っているかがいかに重要か理解しているでしょう。それにより、プリント基板を正しく設計できます。トレースのルーティングと銅配置、またはソルダーに必要な層の実行は、回路図取得からレイアウトへの正確で信頼できる統合なしでは困難な場合があります。

設計ルールチェック（DRC）を使用して、回路基板レイアウトを検証できます。回路図データをPCB Doc.に移動すると、コンポーネントフットプリントが指定された基板アウトラインとともに表示されます。コンポーネントを配置する前に、スタックアップマネージャーを使用してPCBレイアウト、形状、スタックアップ、層を定義する必要があります。

2. コンポーネント間にスペースを確保する

すべての材料をぎゅうぎゅう詰めに配置したくなることもありますが、後で回路のルーティングに十分なスペースがないことに気づくかもしれません。したがって、ワイヤーが広がる余地を持たせるため、コンポーネント間に余裕を持たせることが不可欠です。

通常、コンポーネントのピン数が多いほど、より多くのスペースが必要です。要素の間隔を空けることは、はんだ付けの容易さも促進します。一般的に、コンポーネントをどれだけうまく配置するかが、基板製造の容易さを決定します。

3. 層間で配線方向を交互に変える

PCBレイアウトを検討する際、連続する層で配線方向が異なることを確認することが重要です。例えば、あるセグメントで水平配線を使用しているなら、次の層では垂直配線を使用すべきです。このパターンを、多層PCBを扱う場合はすべての層で繰り返すべきです。

一方、片面に水平トレースを引き、もう片面に垂直マークを引くと、他のラインと交差するラインの配線が簡素化されます。したがって、多層PCBでは方向を交互に変えることを推奨します。

4. 電流に応じてライン幅を選択する

回路基板は、電流の流れを完璧に許容する場合にのみ最高の性能を発揮します。電流の途切れない流れは、デバイスの適切な動作に不可欠です。したがって、電流の流れを妨げないライン幅を選択することは、レイアウトの生産性を最大化する賢い方法です。

ライン幅を知ることで、推定電流と厚さを入力し、外層と内層のトレース幅値を取得できます。しかし、計算機が推奨するより大きな幅を使用できる場合は、ためらわずに採用すべきです。メーカーの要件を満たす限り、トレースが太ければ太いほど、断線に対する耐性が高まります。

5. ルーティングとビアの決定

ルーティングは、配置されたコンポーネントを正しく接続するために必要なワイヤーを追加する工程です。優れたルーティングガイドラインを使用し、カラーコーディングによるビア ルーティングやネットのハイライトなど、希望するソフトウェア設計ツールを賢く活用してプロセスをスムーズに進めるべきです。

ビアは、多層PCBにおいて不可欠なコンポーネントです。多層PCBの内部と表面の異なる層を相互接続するために使用されます。ビアは、トレース、ポリゴン、パッドを異なるPCBセグメントに電気的・熱的にリンクするために使用されます。

通常、製造基板のセグメントに犠牲ビアを配置します。これは、ビアをスライスして断面を検査し、電気めっきプロセスの効率を判断するためです。

6. トレースで90°角度を避ける

鋭い直角ターンではトレース幅を一定に保つのは少し難しいです。特に狭いトレースでは、わずかな差異がトレースの相当部分を占めるため、なおさらです。したがって、2つの45°ベンドで行うのがベターです。また、完全にはエッチングされていない90°角度のマークが大量に戻ってきて、ショートの原因になる可能性があります。

7. 熱スポットを考慮する

熱は、熱放散が正しく行われない場合、回路の性能を低下させ、時には損傷させることさえあります。熱抵抗というパラメータは、特定条件下でワットあたりどれだけ温度が上昇するかを示します。コンポーネント以外にも、電気ネットワークの強度、ビア、銅トレースなどがすべて熱生成に寄与します。

設計者は、安全な温度限界内で動作し続けるPCBを作成し、故障や回路破損を回避するよう努めるべきです。一部の回路は追加冷却なしで正常に動作しますが、ヒートシンクと冷却ファンの両方、またはそのいずれかを増やすことが避けられない状況もあります。

8. 同一デバイスには常に同一シンボルを使用する

回路図の一貫性を保つため、同一デバイスを表すのに常に同一シンボルを使用すべきです。例えば、回路図にIEEE抵抗器とヨーロッパ式抵抗器を混在させると混乱を招きます。

回路図を設計する前に、識別可能なすべての電気シンボルを評価し、すべてのプロジェクトで常に同じシンボルを使用することを確認する時間を取るべきです。

9. 混合信号回路のためのヒント

デジタルとアナログのグランドを分離する

電源回路、PCB基板では、デジタルとアナログのグランドを分離する必要があります。これは、デジタルPCB基板回路から放出される電圧・電流スパイクが、アナログ側の回路に干渉を生じ、性能に影響を与える可能性があるためです。もしPCB上でそれらを結合するなら、電源経路の末端、できればPCBグランド接続に近い場所で結合すべきです。

アナロググランドをノイズから保護する

アナロググランドに干渉が存在すれば、信号線に存在する場合と同様の影響を及ぼします。大きなグランドプレーンで抵抗を減らそうとすれば、その下や上を通る配線への容量結合に対してより脆弱になります。したがって、アナロググランドにはアナログラインを通し、デジタルラインも通すべきです。これにより、アナログとデジタル回路間の容量結合を低減できます。

10. すべてのパーツにユニークなデシグネータを付ける

回路図の信頼性と可読性を向上させるため、回路内のすべてのシンボルに固有のデシグネータを付け、すべてのパーツを識別可能にする必要があります。すべての抵抗器は、R1、R2、R3…という一貫した命名規則に従うべきです。

特定の性能要件を持つコンポーネントを使用する場合は、シンボルにラベルを追加すべきです。例えば、特定のトレース幅要件、インピーダンス、特別なシールドを持つパーツには、ラベリングを強化する必要があります。

11. メーカーの仕様を知る

すべてのメーカーには、最小トレース幅、層数など、独自の仕様があります。設計を開始する前に、自分が何を必要としているかを振り返り、要件を満たすメーカーを探す必要があります。プリント基板の材料グレードを、FR-1からFR-5までの範囲で要件に含めるべきです。FR-1は紙フェノール混合物としても知られ、FR-4はガラスクロスとエポキシです。

この情報があれば、ボードレイアウト全体を再ルーティングする代わりに、トレース幅とスペースを希望通りに設定できます。

選択する材料のタイプが、回路基板の難燃性、耐久性、強度、吸湿性に影響することを念頭に置いてください。

まとめ

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