回路図からPCBへ：Altium Designerによる包括的な設計ワークフロー

PCB（プリント基板）は電子印刷技術によって製造され、部品への電気的接続を提供する役割を担っています。回路図はPCB設計が従うべき唯一の原則であり、回路図の複雑さとPCBサイズに応じて層数を決定し、最終的に回路設計者が設定した機能を実現します。層数の観点では、PCBは単層、双層、4層、6層、その他の多層基板に分類されます。電子技術の発展に伴い、PCBはあらゆる分野で広く応用され、ほぼすべての電子機器に組み込まれています。

PCB設計ソフトウェアにはそれぞれ長所と短所がありますが、本記事では回路図設計からPCB設計ファイル生成までのプロセスにおいて Altium Designer を用います。

設計プロセス

・回路方式設計

製品設計に先立ち、回路方式設計を行い、基本回路モジュールを計画し、回路図を描画します。これらは手作業で完結できます。その後、簡単な設計を例にPCB設計プロセスを示します。

・回路図設計

すべてはアイデアから始まります。次に回路図が来て、最後にPCB設計がきます。回路図設計はPCB設計の基礎であり、PCB設計の効果と相関するため、回路図で何か間違えば、PCBにも間違いが生じます。したがって、回路図設計の正確さと精度を確認することが第一義です。

・回路図の確立

1. Altium Designerを開き、メインインターフェースに入ります。
   優先順位に従い、[ファイル] → [新規] → [プロジェクト] → [PCBプロジェクト] をクリックし、このファイルを保存する前にエンジニアリングファイルを確立します。エンジニアリングファイル確立の利点の一つは、回路図シンボルファイル (.schlib)、PCBパッケージファイル (.pcblib)、回路図ファイル (.SCH)、PCBファイル (.PCB) など、エンジニアリングファイルに含まれるすべてのファイルを管理しやすいことです。回路図の翻訳と編集後、ネットリストがPCBに導入されるため、回路図とPCBは相関し、ファイル間でインタラクティブな操作が可能になります。同じエンジニアリングファイルに入れていない場合、PCBと回路図は互いに独立と見なされ、回路図のネットリストが自動的にPCBファイルに導入されません。エンジニアリングファイルがない場合、ネットリストをPCBに導入する際に回路図へのパスを探す必要があります。ある程度、エンジニアリングファイルを確立する方が便利です。
2. 回路図はシンボル間の接続によって完全になるため、まず回路図シンボルを確立する必要があります。
   エンジニアリングファイルで [ファイル] → [新規] → [ライブラリ] → [回路図ライブラリ] をクリックし保存します。回路図ファイルで、必要な回路図シンボルを順に確立します。本記事の回路にはスイッチ、LED、ソケットが含まれ、これらの部品シンボルはAltium Designerに保管されています。しかし、要件に完全に適合した設計を行うなら、独自のライブラリを確立するのが最善です。実際、組み込みライブラリを使用するエンジニアは少数です。ライブラリ確立の過程で、対応する部品の仕様書を見つけ、ピン名やマーク（LEDのアノード/カソード、トランジスタの3端子など）の正確さを確保する必要があります。
3. PCBパッケージの確立。
   [ファイル] → [新規] → [ライブラリ] → [PCBライブラリ (.pcblib)] をクリックし保存します。PCBパッケージが適切に確立されているかどうかは、PCBの製造可能性を決定します。前述のアノード/カソードと回路図シンボルのマッチングに加え、多くの詳細に注意を払う必要があります。例えば、QFPパッケージでは仕様書が通常背面図を提供するため、PCBパッケージ確立の過程でイメージングを通す必要があります。そうでなければ、確立されたライブラリが反転してしまいます。部品のパッドとビアのサイズも原則に従います。部品ビアのサイズは部品ピンの直径に依存し、パッドのサイズはビアのサイズに依存します。
   
   LEDパッケージの例：LED直径3mm、ピン間隔2.54mm、ピン直径0.6mm の場合、PCBライブラリインターフェースで以下のように設定します。
   a. パッド配置
   ① パッドのビア径 = 部品ピン径 + 0.3mm + 0.9mm
   ② パッドは円形とし、その直径 = パッドビア径 0.9mm + 1.2mm = 2.1mm（一般に片面基板 +1.2mm、両面 +1.0mm）
   ③ SMTを適用する場合、パッドは通常トップ層に配置
   ④ 配置座標：X (-1.27mm)、Y (0)
   ⑤ パッドを1ピンとして定義（Designatorを1に設定）
   ⑥ 2つ目のパッドも同じ方法で配置。座標は X (1.27mm)、Y (0)、Designatorは2
   
   製造を容易にするため、原点を部品パッケージの中心に設定するため、上記パッドの座標はそれぞれ 1.27 と -1.27 になります。
   
   b. パッド配置後、シルクスクリーンを描画します。
   c. ファイルを保存し、名前を付けます。
4. 回路図シンボルとPCBパッケージが確立されたら、次はそれらの接続です。
   PCBパッケージは部品属性において回路図シンボルと接続する必要があります。回路図シンボルライブラリとPCBパッケージライブラリを確立後、対応するライブラリを編集・翻訳する必要があります。同時にAltium Designerが各部品の情報をチェックし、エラーがあればヒントウィンドウが自動的にポップアップします。
5. 回路図描画。
   回路図シンボルとPCBパッケージを確立後、回路図の描画を開始します。プロジェクトファイルで [ファイル] → [新規] → [回路図] をクリックします。
   回路図インターフェースでA4図面を選択（実際にはプロジェクトに応じて適切な図面を選択可能）。確立した回路図シンボルを見つけ、回路図インターフェースに一つずつ配置します。最後にピンを電気接続線で接続します。
   回路図完成後、設計のエラーを自動チェックできます。回路図上で右クリックし、ポップアップメニューから「ドキュメント ***.Schdoc のコンパイル」を選択します。

・PCBファイルの確立

1. プロジェクトファイルで [ファイル] → [新規] → [PCB] → 保存。
2. PCBのシート枠を描画。 サイズはシステム構造に応じて設定可能。Mechanical 1 でPCBシート枠を描画。本記事の例ではPCBサイズは 62×55mm です。
3. 部品を導入。 回路図の部品情報とネットリストをPCBに導入。[設計] → [PCBドキュメント ***.pcbDOC の更新] → [変更の検証] と [変更の実行] をクリック。
4. 設計ルール設定。 配線幅、配線間距離、電源線とグランド線の配線幅を設定。
5. レイアウト。 「良いレイアウトは半分完了したも同然」です。レイアウトで守るべきルール：
   a. 位置決め穴を固定する。
   b. 固定位置が必要な部品を最初に固定し、他の部品を動かす際にそれらが動かないようにする。
   c. 大きいものから小さいものへ、難しいものから易しいものへ、機能モジュール単位でレイアウトを実施。
6. 配線。 配線は、PCB上に配線とビアを配置して部品を接続するプロセスです：
   a. インタラクティブ配線：[配置] → [インタラクティブ配線] をクリックし、カーソルが十字に変わったら配線。
   b. 自動配線：[自動配線] → [すべて] → [すべて配線] をクリック。自動配線が開始されます。
7. ティアドロップと銅張りの追加 は、リードとパッド、またはスルーホールビア間の機械的強度を強化します。
   一般に、配線後にPCB上で大面積銅張りを実施します。通常、銅張りはグランド線と接続してグランド面積を増やし、グランド線インピーダンスを低減させ、電源と信号の伝送を安定させる効果があります。
8. DRC（設計ルールチェック）。
   [ツール] → [設計ルールチェック] をクリック。情報ボードでエラーレポートリストを確認し、それに基づいてPCB設計を修正。エラーがなくなるまでDRCを繰り返します。

PCBファイル出力

• ガーバーファイル：PCBメーカーに提供
• 実装図：作業現場への操作マニュアルとして提供
• 部品座標：自動実装機用として作業現場に提供
• BOM：調達部門と製造部門に提供
• 必要に応じてその他の形式のファイル

設計完了

以上で、回路図からPCBファイル出力までの全PCB設計プロセスが完了しました。本記事ではこのプロセスの概要を提供しました。より詳細な内容は、あなたの実践の中で発見されるでしょう。

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参考リソース：
・Altium Designerユーザー向けPCB設計チュートリアル
・効率的なPCB製造のためのファイル要件
・複数の付加価値オプション付きフル機能PCB製造サービス
・PCBCartの標準能力内で回路を設計することでPCB製造価格を削減
・PCB製造プロジェクトの見積もり生成に関する詳細マニュアル
・PCB製造以外にも、PCBCartはフルターンキーPCB実装サービスを提供