PCB設計の主要な落とし穴を徹底解説：包括的分析

PCB（プリント基板）は電子製品の核心であり、小型から大型、コンピュータ、通信、軍事ハードウェアまで、ほぼすべての異なる分野の機器に適用されます。簡単に言えば、PCBは電子製品の機能実現において重要な役割を果たします。

しかし、基板設計は決して容易ではなく、層間、部品間、回路間の多くの関連を適切に処理する必要があります。熟考に欠けた設計は、電子システム内で動作する際に故障や甚大な災害を招く可能性があります。PCB設計自体の難易度に関わらず、よく発生する問題をまとめることで、すべてのPCB設計者が事前にそれらを認識し、PCB製造フェーズ前に対処方法を学べるようにします。

注： 本記事では、Altium Designerソフトウェアの参加に基づき、PCB設計問題と解決策を議論します。

回路図上のPCB設計問題

問題#1：ERCレポートによると、ピンにアクセス信号がない。

分析：
a. パッケージ確立時にピンでI/Oを定義すべき；
b. コンポーネント確立または配置時に、不適合な属性が変更され、ピンと配線が緩んでいる可能性；
c. コンポーネント確立時に、ピンが逆方向になっている。

問題#2：コンポーネントが用紙外にはみ出している。

分析：ファイルがコンポーネントライブラリ用紙の中央で作成されていない。

問題#3：作成したエンジニアリングファイルのネットリストがPCBに部分的にしかアクセスできない。

分析：ネットリスト生成時に「グローバル」項目が選択されていない。

問題#4：コンポーネントが回転できない。

分析：入力方式を切り替える必要がある。

PCB上のPCB設計問題

問題#1：ネットロードのプロセスで、NODEレポートが発生しない。

分析：
a. 回路図のコンポーネントが、コンポーネントライブラリにないパッケージを利用している可能性；
b. 回路図のコンポーネントが、コンポーネントライブラリで使用されているものと互換性のないパッケージを使用している。

問題#2：DRCレポートでネットワークがいくつかのセクションに分割されている。

分析：この問題は、このネットワークが接続されていないことを示します。CONNECTED COPPERを使用してファイルを通過できます。

問題#3：操作プロセスで、ブルースクリーンはできるだけ少なく使用すべき。

分析：ファイルを何度もエクスポートして新しいDDRファイルを生成し、ファイルサイズを縮小。複雑なPCB設計時は自動配線を推奨しません。

配線はPCB設計において非常に重要なステップであり、それ以前のすべてのステップはその準備です。PCB設計において、配線には最大の要求がかかります。PCB配線は片面配線、両面配線、多面配線に分類されます。配線方法は自動配線とインタラクティブ配線の2つがあります。自動配線の前に、比較的複雑なシステムにはインタラクティブ配線を事前に使用できます。入出力端子のサイドラインは互いに平行にならないようにし、RF干渉が生成されないようにします。必要に応じてグランド線を追加し、隣接2層の配線は互いに垂直にするべきです。平行線は寄生結合を生成しやすくなります。自動配線の配線率は、よく考えられたレイアウトに依存し、配線ルールを事前に設定できます。一般に、問い合わせベースの配線を最初に実施し、配線パスを全体で最適化。配線済みラインを閉じ、再配線を実施して全体効果を改善します。部品高密度PCBの設計では、スルーホールだけでは多くの配線チャネルが無駄になるため、ブラインド/埋め込みビア技術が開発されました。これらはスルーホールのように機能するだけでなく、多くの配線チャネルを節約できます。その結果、配線がより容易、スムーズ、良好になります。

干渉に関するPCB設計問題とその解決策

干渉は、デバッグとアプリケーションのプロセスで電子機器に常に発生し、多数の原因から派生します。すべての原因の中で、環境による干渉を除き、非合理的な配線と不適切な部品配置が最も多くの干渉をもたらします。干渉は電気機器を正常に動作不能にしたり、故障させたりする可能性があります。したがって、PCB設計フェーズで可能な干渉を抑制すべきです。

問題#1：グランド線干渉の発生と制御

分析と解決策：
グランド線がゼロ電位を示す場合、回路全体の各接地点の相対電位差もゼロであるべきです。しかし、電位差を絶対的にゼロに保つことはほぼ不可能であり、微小な電位差が増幅回路を通じて増幅されると、干渉信号となって回路全体の正常な動作に影響を与える可能性があります。
干渉を抑制するには、以下の方法が使用できます：a. 正しい接地ガイドラインを徹底する；b. デジタルグランド線をアナロググランド線から分離する；c. グランド線を可能な限り太くする；d. グラウンドを可能な限り広くコーティングする。

問題#2：電源干渉と抑制

分析と解決策：電源干渉は、非合理的な回路図設計、配線、レイアウトから派生する可能性があります。したがって、配線時にAC-DCループを互いに接続しないようにし、グランド線を大ループと平行に走らせないようにします。また、電源線と信号線を互いに近づけすぎず、決して平行にしないでください。必要に応じて、電源出力端子と機器の間にフィルタを追加できます。

問題#3：EMI（電磁干渉）とその抑制

部品が高密度に配置されているため、非合理的な設計が実装されると、分布定数干渉や部品EMIなどのEMIが発生します。異なる干渉に対応する対策を講じるべきです。

分析と解決策：
a. 印刷回路間の寄生結合。短距離の2本の平行リード間の分布定数の効果は、相互に結合したインダクタンスとキャパシタンスに相当します。信号が一方のリードを流れると、もう一方のリードに誘導信号が生成されます。したがって、PCB設計時に信号線を互いに平行に設計しないか、シールド線を使用して弱い干渉信号を抑制し、干渉を停止します。
b. 磁性部品間の干渉。スピーカーと電磁石は定常磁界を生成し、高圧トランスとリレーは交番磁界を生成。両磁界とも周辺部品と印刷配線に干渉をもたらし、状況に応じた対策が可能：
・磁力線による印刷配線の切断を低減。
・2つの磁性部品の位置を、2つの異なる磁気方向に沿って互いに垂直に保ち、部品間の結合を低減。
・干渉源に磁気シールドを施し、シールドカバーをグランドにしっかり接続。

問題#4：熱干渉と抑制

分析と解決策：高電力機器が動作すると、通常非常に高温になり、回路に熱源が存在し、印刷回路に干渉をもたらします。したがって、PCBレイアウト設計時に温度感受性部品を発熱部品から遠ざけ、熱源を基板外部の空気側に配置して、発生熱の伝達や熱放散の発生を防止。必要に応じて熱放散シートを装備。

本記事では、PCB設計で通常遭遇する最も一般的な問題とその解決策を扱いました。実際には、あなたの実践的な設計経験でさらに多くの問題が発見されることが期待されます。

参考リソース
・高品質PCBの設計方法
・知っておくべき主要PCB設計ルール
・Altium Designerベースの回路図からPCB設計へのガイドライン
・PCB設計における干渉の克服方法
・PCB設計における耐干渉能力強化の方法