プリント基板設計は回路図に基づいており、回路設計者が要求する機能を実装します。プリント基板設計はレイアウト設計とも呼ばれ、外部接続のレイアウト、内部電子部品のレイアウト、金属配線とビアのレイアウト、電磁保護など、さまざまな要素を考慮する必要があります。 PCBレイアウト設計 適切な設計は生産コストの削減とPCBの性能向上につながりますが、設計が不十分なPCBは、ボードの機能が制限されたり、ボード全体が故障したりする可能性があります。そのため、PCBの設計が適切であることを確認することは非常に重要です。ここでは、PCB設計プロセスの主要な手順と、設計前に考慮すべきいくつかの要素について説明します。
PCB設計 プロセス
- コンセプトデザイン
最初のステップは、PCB設計の目的、つまり基板の概念設計を決定することです。この段階では、PCBの機能、特性、他の回路との接続、おおよそのサイズ、最終製品におけるPCBの配置場所などを明確にし、温度や湿度などの動作環境も考慮する必要があります。
- 回路図を描く
最終的なコンセプトデザインが決定したら、次の段階である回路図の作成に進みます。回路図には、部品名、定数、定格など、回路基板上の電気部品が適切に機能するために必要なすべての情報が含まれます。同時に、部品番号、参照番号、説明、数量、パッケージなどの詳細な情報を網羅した部品表（BOM）も作成する必要があります。PCB設計を変更するたびに、この2つのドキュメントを更新してください。
- ボードレベルのブロック図を作成する
3つ目のステップでは、基板レベルのブロック図を作成する必要があります。これは、プリント基板の最終的な寸法を正確に示す図面です。図上の各領域は、ブロック、コンポーネント、制約として明確にマークする必要があります。
- コンポーネントの配置を決定する
この段階では、各部品を基板上のどこに配置するかを決定します。このプロセスでは、最終決定に至るまでに多くの作業段階を経る場合がありますが、これはごく自然なことです。PCBの品質と性能を最大限に高めるには、各部品を適切な位置に配置する必要があるためです。
- 回路ルーティングを確立する
各コンポーネントの位置が確認されたので、次に回路の配線と配線の優先順位を決定するために回路配線を確立する必要があります。
- テスト
最後のステップでは、設計がすべてのニーズを満たしていることを確認するために、一連のテストを実行する必要があります。設計が適切にテストされていれば製造プロセスに移行できますが、そうでなければ、元のPCB設計に基づいて調整を行う必要があります。
PCB設計の考慮事項
ボードの制限
プリント基板を設計する際には、基板のサイズや形状などの制約を考慮する必要があります。まず、回路に十分なスペースがあることを確認する必要があります。基板のサイズは、最終製品のサイズや機能など、さまざまな要因によって左右されます。技術の進歩と消費者ニーズの変化に伴い、電子製品は小型化・多機能化しており、これはPCB設計にも大きな影響を与えています。そのため、設計を開始する前にPCBのサイズを見積もることが重要です。十分なスペースがない場合は、必要な機能を実現するために、多層配線や高密度相互接続（HDI）設計が必要になる場合があります。形状については、一般的にPCBは長方形に設計しますが、不規則な形状の製品では、使用するPCBも特殊な形状に設計する必要があり、コストが増加します。一方、PCB設計の早い段階で層数を考慮する必要があります。層数が多いPCBを設計するとコストは増加しますが、より高度な機能を備えたPCBを設計できます。
製造プロセス
PCB設計を始める前に、回路基板の製造プロセスを考慮する必要があります。プロセスによって制限や制約が異なるためです。基板上の製造プロセスに対応する基準穴が必要であり、部品はPCBの穴から離して設計する必要があります。また、PCBの製造に使用する原材料や組み立て方法も考慮する必要があります。例えば、スルーホール部品と表面実装部品の両方を使用する必要がある場合もあります。さらに、メーカーと連絡を取り、必要なタイプの基板を製造できる能力があるかどうかを確認することも重要です。
コンポーネントと材料の考慮事項
PCB設計を始める前に、基板に使用する材料と部品を検討する必要があります。使用する材料や部品によって設計は変化するため、基板に適した材料や部品を選択するにはある程度の時間がかかります。まず、市場で入手困難な材料や部品もあるため、それらが入手可能かどうかを確認する必要があります。同時に、必要な部品が予算内で入手できることも確認する必要があります。最後に、設計によってこれらの材料や部品の長所を最大限に活かせるかどうかも確認する必要があります。
部品配置順序
基板上に部品を配置する順序を決めるプロセスを指します。コネクタと電源回路を最初に追加し、次に精密回路、重要回路、そしてその他の要素を追加することをお勧めします。このプロセスでは、配線と生成能力、ノイズ耐性、配線の優先順位、電力レベルを考慮する必要があります。部品の配置順序を間違えると、回路パスや部品の競合が発生し、設計段階に戻らざるを得なくなる可能性があります。
設置場所
部品の配置はPCBの性能に影響を与え、場合によっては最終製品の成否を左右することもあります。望ましい結果を得るためには、部品を近づけすぎないことをお勧めします。部品を近づけすぎると、多くの悪影響が生じます。まず、部品配置の自動化が妨げられ、テストの速度が低下します。部品が近すぎると、機械やエンジニアは基板の配置とテストに細心の注意を払う必要があります。次に、エンジニアはゆっくりと慎重に作業する必要があるため、製造段階の時間が長くなります。部品とPCBの端の間には、少なくとも100ミル（約XNUMXmm）の間隔を空けることをお勧めします。
オリエンテーションと組織
PCB を設計するときは、回路基板上のすべての電子部品が同じ方向に向くように注意する必要があります。これにより、特にはんだ付けプロセスでの混乱がなくなり、製造および組み立ての効率が向上します。
PCB設計リスクを軽減する方法
起こりうるリスクを予測できれば、プリント基板設計はより容易に成功します。目標達成の鍵となるのは、PCB設計におけるシグナルインテグリティです。関連する内容を一緒に確認してみましょう。
電子システム設計において、チップサプライヤーは、どのようなチップを使用するか、外部回路をどのように構築するかなど、多くの製品ソリューションを製造しています。ハードウェアエンジニアは、回路の原理を考慮する必要がない場合が多く、プリント基板を自分で作ればよいだけです。しかし、PCB設計中に、PCB設計が不安定になったり、プリント基板アセンブリボードが動作しなかったりするなどの問題が発生することがあります。一部の大企業では、多くのチップメーカーがPCB設計ガイダンスの技術サポートを提供しています。しかし、一部の中小企業ではこのサポートを受けるのが難しく、プリント基板のプロトタイプを何度も作成したり、デバッグに非常に長い時間を費やしたりする場合があります。実際、システム設計手法を理解していれば、これらすべてを回避できます。以下は、PCB設計リスクを軽減するための3つのスキルです。
- まず、レイアウト計画段階でシグナルインテグリティの問題を考慮する必要があります。つまり、あるPCBから別のPCBへの信号が適切に受信されているか、という点を念頭にレイアウトしましょう。これは早い段階で評価する必要があります。シグナルインテグリティに関する知識と、シンプルなソフトウェア操作の理解があれば、難しいことではありません。
- 次に、PCB設計プロセスにおいて、シミュレーションソフトウェアを用いて具体的なアライメントを評価し、信号品質が要件を満たしているかどうかを確認します。シミュレーションプロセス自体はそれほど複雑ではありませんが、重要なのはシグナルインテグリティの原理を理解し、それをガイドとして活用することです。
- 第三に、PCB設計におけるリスク管理をしっかりと行う必要があります。シミュレーションソフトウェアでは解決できない問題も多く、PCB設計者が管理する必要があります。PCB設計のヒントをしっかりと習得できれば、故障の可能性を低減し、PCB基板を何度も作り直す必要がなくなり、コストと時間を節約できます。また、デバッグも比較的容易になります。
効率的な PCBデザイン CAD
高度な使用 コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアシステムは、PCB設計者が多くのレイアウト問題を回避し、より優れたPCBを作成するのに役立ちます。以下に、CADがもたらすメリットをいくつか挙げます。
半自動設計プロセス：CADプログラムを使えば、部品を必要な場所にドラッグ＆ドロップするだけで基板を設計できます。一部のCADシステムでは、配線の作成もサポートしており、必要に応じて部品の移動、追加、削除、配線変更も可能です。つまり、CADシステムを使用することで、高い効率性と精度でPCBを設計できるのです。
設計検証：CADシステムを使用すれば、PCB設計の許容誤差、互換性、部品配置などをテストすることで、設計の妥当性を検証できます。一部のシステムでは、リアルタイムでエラーを検出し、製造段階に進む前に悪影響を最小限に抑え、排除することができます。
ファイル生成: CAD システムは、製造に必要な Gerber ファイルやその他のファイル形式の生成に役立ちます。CAD ソフトウェアによって生成されたこれらのファイルは、高い精度を特徴としています。
ルールとテンプレートの作成：CADプログラムを使用してカスタムルールセットを作成・保存し、設計者と共有することでソフトウェアの機能を拡張できます。さらに、将来のPCB設計に非常に便利なテンプレートを作成することもできます。
優れたPCB設計には、豊富な専門知識と経験が必要であり、決して容易なことではありません。そのため、PCB設計の専門知識が不足している場合は、専門家に依頼するのが最善であり、MOKOは最適な選択肢です。MOKO Technologyでは、約16年の経験を持つPCB設計チームがPCB設計に精通しています。当社の設計者はCADシステムを駆使し、シンプルなものから複雑なものまで、効率的かつ正確にPCBを設計します。さらに、PCB設計から製造、組み立てまで、包括的なサービスを提供しています。ISO9001:2015、ISO14001、ISO13485、ROHS、BSCI、ULなどの認証を取得しており、お客様に常に高品質のPCBと最高のサービスを提供できるよう努めています。
