PCBレイアウト設計は、回路基板製造における重要なステップです。合理的なPCBレイアウトは、製造コストの抑制と高い信頼性の確保に役立ちます。逆に、不合理なPCBレイアウトは製造性を満たさず、PCBの機能が制限されたり、回路故障などのさまざまな問題が発生し、製造コストの増加や製造時間の遅延につながります。今日、人々は電子機器にますます高い要求を持ち、使用されるPCBはますます複雑でコンパクトになっています。小さなPCBで複数の機能を実現する必要があり、これは間違いなくPCBレイアウト設計に大きな課題をもたらします。そして、PCBレイアウト設計には考慮すべき多くの側面があります。この記事では、PCBレイアウト設計プロセスについて説明し、設計中に考慮すべき最も重要な側面と、回避すべき一般的な問題をリストアップしました。読み進めてください。
PCB レイアウト設計の手順は何ですか?
機能的なプリント基板（PCB）を作成するには、多くの段階にわたる綿密な計画と実行が必要です。これは、電気技術者、機械技術者、PCB設計者、そして製造業者の共同作業です。ここでは、エンドツーエンドのPCB設計プロセスをより詳細に見ていきましょう。
- 概略図を作成します。
回路図は電子回路を概念的に捉え、 PCBコンポーネント 抵抗器、コンデンサ、集積回路、そしてそれらの相互接続など、物理的なレイアウトを考慮せずに回路図をデジタル化します。回路図キャプチャソフトウェアは、PCB設計用の回路図をデジタル化するために使用されます。
- ボードのスタックアップを選択します。
これはPCB自体の層構造と構成を指します。層数、誘電体、銅箔の厚さ、配線幅といった要素がインピーダンスなどのパラメータに影響を与え、シグナルインテグリティ（信号品質）に影響を与えます。スタックアップは回路の性能要件に適合している必要があります。
- 設計ルールと製造要件の概要を説明します。
PCB製造 などの組織によって厳格な基準が設定されている IPCこれらには、最小トレース間隔、穴サイズ、マスクオーバーレイなどが含まれます。これらの仕様に精通したPCBパートナーと協力することで、エラーや基板の不良を回避できます。
- コンポーネントとフットプリントを配置します。
回路図をガイドとして、PCBレイアウトは部品フットプリントの配置と参照番号の割り当てから始まります。配置ガイドラインは、電気ノイズと干渉を最小限に抑えるのに役立ちます。部品のデータシートには、配置と向きに関する必要な詳細情報が記載されています。
- ビアとピン用のドリル穴を含めます。
ビアは層間の垂直接続を提供します。多くの両面フレックス回路では、めっきスルーホールが必要です。ビアホールの寸法と位置は指定されます。
- 導体のトレースを接続します。
トレースとは、回路図レイアウトに従って異なるコンポーネント間の導電経路を形成する銅線です。自動配線ツールは配線作業を支援しますが、多くの場合、手動で配線する必要があります。
- テストポイント、ラベル、マーキングを統合します。
テストポイントはテストとトラブルシューティングを容易にします。識別子、極性マーク、バージョン番号、その他のテキスト情報は、通常シルクスクリーン印刷または彫刻によって追加されます。
- 設計ルールを検証し、製造ファイルを生成します。
完成した基板レイアウトは、設計ルール違反がないか最終チェックされます。その後、必要なすべてのPCB製造データを含む製造および組み立てファイルが出力されます。
設計が完全に定義されると、PCBは製造段階へと進み、電子設計図は部品実装の準備が整った物理的な基板へと変換されます。このプロセス全体を通して、多くの分野間の緊密な連携が求められます。
PCBレイアウト設計における重要な考慮事項
ベアボードのサイズと形状
PCBレイアウト設計において最初に考慮すべきことは、ベアボードのサイズ、形状、層数です。ベアボードのサイズは最終的な電子製品のサイズによって決まることが多く、面積の大きさによって必要な電子部品をすべて配置できるかどうかが決まります。十分なスペースがない場合は、多層基板や多層基板の使用を検討してください。 HDI設計したがって、設計を始める前に基板サイズを見積もることが非常に重要です。2つ目はPCBの形状です。ほとんどの場合、基板は長方形ですが、不規則な形状のPCBを使用する製品もあり、これも部品の配置に大きな影響を与えます。最後はPCBの層数です。一方で、 多層PCB より複雑な設計を実行し、より豊富な機能を実現できますが、もう 1 つのレイヤーを追加すると製造コストが増加するため、設計の早い段階で特定のレイヤーを決定する必要があります。
製造プロセス
PCBの製造プロセスも重要な考慮事項です。製造方法が異なると設計上の制約も異なり、PCBの組み立て方法も考慮する必要があります。例えば、 SMT および THT PCBの設計には様々な方法が必要になります。最も重要なのは、製造元に確認し、必要なPCBを製造できる能力があり、設計を実装するために必要なスキルと専門知識を持っているかどうかを確認することです。
材料とコンポーネント
設計プロセスでは、使用する材料と部品が市場でまだ流通しているかどうかを考慮する必要があります。部品の中には入手が難しく、時間と費用がかかるものもあります。そのような場合は、より一般的な部品に置き換えることをお勧めします。そのため、PCB設計者はPCBアセンブリ業界全体に精通した経験と知識を持っている必要があります。MOKOには、専門的なPCB設計および部品調達チームがあります。専門知識と包括的な調達チェーンにより、お客様のプロジェクトに最適な材料と部品を選択し、お客様の予算内で最も信頼性の高いPCB設計を提供することができます。また、PCB材料に関する詳細情報については、当社の他のブログをご覧ください。 https://www.mokotechnology.com/pcb-material/
コンポーネントの配置
PCB設計では、部品の配置順序を考慮する必要があります。部品配置を適切にすることで、必要な組み立て工程を削減し、効率を向上させ、コストを削減できます。推奨される配置順序は、コネクタ、電源回路、精密回路、重要な回路、そして最後にその他の部品です。また、PCBからの過度の放熱は性能を低下させる可能性があることにも注意が必要です。PCBレイアウトを設計する際には、どの部品が最も放熱するかを考慮し、重要な部品を高熱部品から離し、ヒートシンクや冷却ファンを追加して部品の温度を下げることを検討してください。発熱部品が複数ある場合は、これらの部品を異なる場所に分散させる必要があり、1か所に集中させることはできません。一方、部品の配置方向も考慮する必要があります。一般的に、類似の部品は同じ方向に配置することが推奨されます。これは、溶接効率の向上とエラーの低減に役立ちます。部品はPCBのはんだ面ではなく、めっきスルーホール部品の背面に配置する必要があることに注意してください。
電源プレーンとグランド プレーン
電源プレーンとグラウンドプレーンは常に基板内に収め、中央に配置し、対称に配置する必要があります。これはPCBレイアウト設計の基本ガイドラインです。この設計により、基板のたわみによる部品の元の位置ずれを防ぐことができます。電源グラウンドと制御グラウンドを適切に配置することで、回路における高電圧の干渉を低減できます。各電源段のグラウンドプレーンは可能な限り分離し、どうしても分離できない場合は、少なくとも電源パスの終端に配置するようにしてください。
信号の整合性とRFの問題
PCBレイアウト設計の品質は、回路基板の信号整合性、そして電磁干渉などの問題の発生可能性も左右します。信号の問題を回避するには、配線が互いに平行にならないように設計する必要があります。平行配線はクロストークを増加させ、様々な問題を引き起こす可能性があります。配線を交差させる必要がある場合は、直角に交差させる必要があります。これにより、配線間の静電容量と相互インダクタンスが減少します。また、電磁波を多く発生する部品を必要としない場合は、電磁放射の少ない半導体部品を使用することをお勧めします。これも信号整合性の向上に役立ちます。
PCBレイアウト設計で避けるべきよくある間違い
メーカーとの協力を無視
多くのエンジニアは、製造開始前に設計ファイルをメーカーに渡すだけで十分だと誤解しがちです。実際には、PCBレイアウトの初版が完成した時点でメーカーと共有する方が賢明です。メーカーは豊富な製造経験に基づいてPCB設計をレビューし、メーカーが見つけられない問題点を発見することで、設計の製造可能性を確保します。
限界に近すぎる
部品は回路基板の端に近づきすぎず、適切な距離を保つ必要があります。そうでないと、部品が端に近すぎることで破損しやすくなります。経験豊富なメーカーは、設計ファイルを受け取り、エンジニアに変更を依頼する際に、この問題に気付くことがよくあります。例えば、端を迂回する配線を配置することで、潜在的な危険性を解消します。
PCBレイアウト設計の検証を無視する
PCB設計の完成に多くの時間と労力を費やし、生産工程に入るのが待ちきれないとしたら、それは間違いです。PCB設計の検証を怠ってはいけません。さもないと、大きな問題を引き起こす可能性があります。PCBの生産が始まってから問題を発見するのを待つとしたら、多くの時間を無駄にし、経済的損失も大きくなります。そのため、生産工程に入る前に、設計を複数回検証し、エラーがないことを確認する必要があります。検証を実施することをお勧めします。 電気規則のチェック (ERC) と設計ルール チェックという 2 つのシステムは、設計が一般的な製造要件や高速電気要件などを満たしているかどうかを確認し、潜在的な設計上の問題を早期に特定して迅速に修正するのに役立ちます。
PCB設計を複雑にする
複雑な設計は、必要不可欠な場合を除き、可能な限り避けるべきです。そうでないと、製造に余分な時間とコストがかかります。例えば、部品が小さすぎると製造が複雑になります。基板に大きな部品を搭載できる十分なスペースがある場合は、製品の製造性を考慮し、大型の部品を選択する必要があります。つまり、設計段階でより多くの時間をかけてレイアウトを簡素化し、機能要件を満たす方がはるかに効果的であり、生産速度と品質の向上につながります。
ターンキーPCBサプライヤーと提携
総じて、PCBレイアウト設計は簡単な仕事ではありません。もしあなたがそのスキルに自信がない場合は、ターンキーPCBサプライヤーにサポートを依頼してみてはいかがでしょうか。彼らは製造だけでなく、PCBの設計とエンジニアリングも専門としています。
MOKOテクノロジーは、PCB設計から製造、組立、テストまで、ワンストップのPCBソリューションを提供しています。PCB業界で10年以上の経験を持つ専門エンジニアチームが、様々な業界のお客様のPCB設計・製造に携わっています。PCB設計の妥当性にご不安な場合は、お気軽にお問い合わせください。 お問い合わせ弊社のエキスパートがお客様の設計を評価し、製造可能な提案をさせていただきます。また、PCB設計サービスをアウトソーシングしていただければ、お客様のアイデアを最短期間で製品化いたします。
