PCBレイアウト入門：初心者向けステップバイステップガイド

PCB（プリント基板）は、電子部品を搭載して対応する機能を実現するための基本プラットフォームです。基板材料に基づき、PCB設計ファイルに従って製造され、層間、基板と部品間で接続が実現されます。PCBの主な機能は、基板を取り巻くすべての部品間の電気的接続においてリレー伝送の役割を果たすことにあります。したがって、PCBは通常、電子製品の核と見なされます。

PCBは、ガーバーファイル、NCドリルファイル、ステンシル設計ファイルなどを含むPCB設計ファイルに厳密に従って製造され、これらがすべて揃って初めて実際のPCBが出来上がります。本記事では、PCB設計初心者向けにPCBレイアウトのクイックガイドを提供し、PCB設計とレイアウトに関する主要な問題を取り上げます。この記事が電子初心者エンジニアの一助となることを願っています。

PCBレイアウトとは？

PCBレイアウトには主に、基板上の部品配置、配線、配線幅、配線間隔などが含まれます。PCB基板はほぼすべての電子製品に使用されるため、PCBは家電、情報通信、医療、さらには航空宇宙などの分野で広く応用されています。PCBレイアウトは、それらの期待される機能と性能に影響を与える重要な役割を果たします。

PCBレイアウトの基礎

PCB設計ソフトウェアで回路図を描く過程で、電子用語の略語を最初からマスターすることが重要です。通常、最初の3文字が用語を表すためです。例えば、RESは抵抗器、CAPはコンデンサ、INDはインダクタを表します。したがって、以下の電子用語をマスターすることは非常に重要です：電圧、電流、オーム、ボルト、アンペア、ワット、回路、回路素子、抵抗、抵抗器、インダクタンス、インダクタ、静電容量、コンデンサ、オームの法則、キルヒホッフの法則、キルヒホッフの電圧法則（KVL）、キルヒホッフの電流法則（KCL）、ループ、ネットワーク、受動二端子網、能動二端子網。

PCBレイアウトで避けられない検討事項

・最小距離

PCB設計にはフレームが必要で、フレーム線と部品ピンの間の最小距離は少なくとも2mm、合理的には5mmに設定すべきです。

・部品配置

基本的に、デジタル回路とアナログ回路を含む回路システムでは、同じカテゴリの回路に体系的に結合できるよう、それらを分離すべきです。また、部品は信号流れの方向、機能、モジュールに従って配置すべきです。
入力信号処理ユニットと出力信号駆動部品は基板端の近くに配置し、入出力信号線を可能な限り短くし、入出力干渉を低減させます。
部品配置方向については、部品は垂直または水平にのみ配置できます。部品間に比較的高い電位差がある場合、放電を防ぐために部品間の距離を十分に大きくすべきです。
中密度の基板では、低電力部品間の距離をはんだ付けの観点から考慮すべきです。フローはんだ付けを選択する場合、部品間の距離は50mil〜100milの範囲にできます。

PCBレイアウトにおける電源線とグランド線の設計

グランド線と電源線の間でノイズが発生する原因を理解するのは、PCB設計エンジニアにとって難しい作業ではありません。PCBレイアウトが優れていても、電源線とグランド線の配置への配慮が不十分であれば、干渉によって製品性能が低下し、甚至は完全な失敗を招く可能性があります。したがって、PCBレイアウトエンジニアの仕事は、以下の方法でノイズ干渉を可能な限り低減し、製品品質を保証することです：

1. 大面積銅層をグランド線として使用し、未使用部分をすべてグランドに接続してグランド線として利用。多層PCBでは、電源線とグランド線をそれぞれ別の層に配置。
2. 電源線とグランド線の間にデカップリングコンデンサを追加。
3. グランド線と電源線の幅を可能な限り広く設定。グランド線を電源線より広くするのが最善。グランド線、電源線、信号線の幅配置は：グランド線 ＞ 電源線 ＞ 信号線。
4. デジタル回路を持つPCBでは、幅広のグランド導電線でループを作る。

PCBレイアウトでEMIを低減する3つのヒント

EMC（電磁両立性）の維持はPCBレイアウトで必須です。EMCの実装は、EMI（電磁干渉）を可能な限り低減することを目的とします。EMIを低減するには、以下の3要素に注目すべきです：電磁干渉源、結合経路、被害者。

EMCを達成するには、上記要素から対策を開始すべきです。まず、干渉源、結合経路、感受性デバイスを分析し、効果的な対策をまとめて実施し、干渉源を停止し、干渉結合を排除または低減し、感受性デバイスの干渉への応答を低減するか、電磁感受性レベルを向上させます。
人間による干渉を制限し、適用した技術的対策の有効性を検証するため、組織的対策も講じるべきです。したがって、完全な規則と基準を策定・遵守し、スペクトルを合理的に配分。また、スペクトルの使用を制御・管理し、周波数、作業時間、アンテナ方向に応じて作業モードを決定。電磁環境を分析し、配置を選択し、EMC管理を実施。

・電磁干渉源

EMI源とは、人や同環境内のデバイスに害を及ぼす、または他のデバイス、サブシステム、システム全体にEMI損傷を与え、性能劣化や故障を引き起こす、あらゆるタイプ（自然または電気デバイスから放射される）の電磁エネルギーを指します。

・結合経路

結合経路とは、EMIを伝送するために使用されるアクセスまたは媒体を指します。

・被害者

被害者とは、EMIによって損害を受ける人間やシステムを指し、性能低下や故障に見舞われるコンポーネント、装置、サブシステム、システムを含みます。