PCBレイアウト設計の完全ガイド　

プリント回路基板（PCB）レイアウト設計は、単純なガジェットから非常に複雑なシステムまで、あらゆる電子機器の基礎です。PCBレイアウト設計は、電子部品を配置し、ボード上の接続を配線して、機能的で効率的な回路を作成するプロセスです。目標は、信号の整合性を維持し、熱的および電気的性能を確保しながら、可能な限り最小のフットプリントを実現することです。

基本的なプリント回路から複雑な非剛性PCBまで、すべてのエンジニアリング回路基板設計には多くの要素が含まれています。すべての新しい電子機器は、ブロック図および/または一連の電子回路図から始まります。回路図を完成させて検証した後、以下の手順に従って最新のPCB設計とレイアウトを作成できます。適切に設計されたPCBは、最適な性能、安定性、製造可能性を保証します。このガイドでは、ベストプラクティス、重要な考慮事項、効率的なPCBレイアウトを作成するための手順など、PCBレイアウト設計の重要な側面について説明します。

PCBレイアウト設計に関わるステップ

ステップ1：回路図設計項目

ステップ2：PCB寸法の定義

ステップ3: 回路図とPCB基板設計の同期化

ステップ4：PCBスタックアップ設計

ステップ5：PCB基板設計ルールとDFM要件の定義

ステップ6: コンポーネントの配置

ステップ7: ルーティング

ステップ8： ラベルと識別子の追加

ステップ9： デザイン出力ファイルの生成

ステップ1：回路図の設計項目

最初のステップは、コンポーネントの相互接続方法を定義する青写真である回路図を作成することです。 各コンポーネントのシンボルが配置され、その間に接続が描かれます。回路図は、レイアウト段階でコンポーネントの配置とルーティングの参照として機能します。

ステップ2：PCB寸法の定義

コンポーネントを配置する前に、デバイスの物理的な制約に基づいて、PCBのサイズと形状を決定します。取り付け穴やコネクタなどの機械的要件を考慮します。

ステップ3：回路図とPCBボードの設計を同期させます。

CADソフトウェアのすべてのツールは、回路図、プリント基板レイアウト、BOMが相互接続され、同時にアクセスできる統合設計環境で動作します。回路図ドキュメント情報をPCBに転送するには、[設計]の[回路図をPCBに変換]をクリックします。

ステップ4：PCBスタックアップ設計

スタックアップは、インピーダンスが原因でPCB設計段階の早い段階で考慮することが重要です。インピーダンスは、電気がトレースに沿ってどのくらいの量と速度で移動できるかを示します。スタックアップは、機械エンジニアがPCBを設計し、デバイスに取り付ける方法に重要な役割を果たします。 コンポーネントを配置する前に、以下に示すレイヤースタックアップマネージャーを使用してPCBレイアウト（形状、レイヤースタックアップなど）を定義する必要があります。プリント回路設計の世界に慣れていない場合、最新のPCBボード設計コンセプトのほとんどは、FR4の4層ボードから始まります。高速/高周波回路基板の設計を行う場合は、JLCPCBオンラインインピーダンス計算機も 利用できます。

ステップ5：PCBボードの設計ルールとDFM要件を定義します。

PCBボード設計ルールのカテゴリは膨大な数であり、すべての設計で利用可能なすべてのルールを使用する必要はありません。 DRCには、次の情報が含まれています。

1.PCBレイアウトのオブジェクト間の間隔（トレースとパッド間など）。

2.銅またはソルダーマスクの機能サイズ制限

3.特定のネットに適用できるトレース幅と長さの制限を含むルーティングルール。

これは、すべてのPCBレイアウトを支配する可能性のあるルールのサンプルに過ぎませんが、これらのルールは、メーカーの標準的な能力で必要な規模でボードを製造するのに役立つように設計されています。

ステップ6：コンポーネントの配置

コンポーネントの配置は、PCBの全体的なパフォーマンスに影響を与える重要なステップです。以下のガイドラインに従ってください。

• 関連するコンポーネントのグループ化：抵抗器やコンデンサなど、一緒に動作するコンポーネントを互いに近接して配置します。
• 重要なコンポーネントに優先順位を付けます。マイクロコントローラ、電源レギュレータ、信号プロセッサなどのコンポーネントを最初に配置します。
• 熱放散を考慮します。熱を発生するコンポーネントに十分なスペースとヒートシンクまたは通気孔へのアクセスがあることを確認してください。

ステップ7：ルーティング

ルーティングは、コンポーネントを電気的に接続する実際の経路（トレース）を作成することです。留意すべきいくつかの重要な要素は、トレース幅、トレース長の最小化、信号の整合性です。ルーティングはPCBのタイプに基づいて行われ、RF PCBはパワーPCBとは異なる要件があります。 インピーダンスマッチング、反射なし、最大電流の流れが必要な場合もあれば、最大電流の流れが必要な場合もあり、これに基づいてさまざまなルーティング方法を利用することができます。

ステップ8： ラベルと識別子の追加

回路基板のレイアウトが検証されたら、ボードにラベル、識別子、マーク、ロゴ、またはその他の画像を追加する準備が整います。PCBボードの組み立てに役立つため、コンポーネントの参照指定子を含めることをお勧めします。PCBエディタの画像ツールとテキストツールを使用して、会社のロゴと部品番号を追加することもできます。これらの要素は、PCBレイアウトの上部オーバーレイまたは下部オーバーレイ層に配置する必要があります。

ステップ9： デザイン出力ファイルの作成

メーカー納品を作成する前に、設計ルールチェック（DRC）を実行して回路基板のレイアウトを確認することをお勧めします。ボードがチェックされると、製造業者の納品をリリースする準備が整います。

ボードが最終的なDRCを通過したら、メーカー向けの設計ファイルを作成する必要があります。 設計ファイルには、ボードを作成するために必要なすべての情報とデータが含まれている必要があります。ほとんどのメーカーは、以下に示すようにガーバーファイルセットを使用できますが、一部のメーカーは他の製造ファイル形式（IPC-2581またはODB++）を好みます。これらの他のPCBファイル形式の詳細については、この記事を参照してください。

PCBレイアウト設計のベストプラクティス

1.コンポーネント配置の最適化：

コンポーネントを適切に配置することで、ルーティングの複雑さを軽減し、信号性能を向上させることができます。マイクロコントローラや電源などの重要なコンポーネントを最初に配置し、次に抵抗やコンデンサなどの受動コンポーネントを配置します。

2.クロストークとEMIを最小限に抑えます：

高速信号はクロストークやEMIの影響を受けやすくなります。これを軽減するには、グランドプレーンを使用して信号をシールドし、高速信号と低速信号の間の距離を維持します。 鋭い角度と長い平行線を避けてください。

3.熱管理に留意してください：

電力を大量に消費するコンポーネントは熱を発生させ、性能と寿命に影響を与える可能性があります。これを解決するには、発熱するコンポーネントをヒートシンクの近くに配置するか、ヒートシンクの周囲に空気が流れるようにします。 サーマルビアを使用して、熱を複数の層に分散させます。

4.設計ルールを確認します：

各PCBメーカーには、トレース幅、間隔、層数に関する特定の設計ルールがあります。製造上の問題を回避するために、レイアウトがこれらのルールに準拠していることを確認してください。

電源、グランド、信号トレースの考慮事項

上記のヒントは、設計に実装できる最高のPCBプラクティスに焦点を当てています。 また、設計仕様に従って、電源、グランド、および信号トレースを配線する必要があります。 これらのステップを効率的に完了することで、信号がボードが適切に機能するための信頼できる経路を維持することができます。留意すべき3つの主要な要素は次のとおりです。

1.電源とグランドプレーン

基本的なPCBレイアウト設計ルールの1つは、電源とグランドプレーンをボード内に保つことです。 専用の電源とグランドプレーンは、信号の整合性を向上させ、ノイズを低減します。 これらの層は、ボード全体に電力を均等に分配し、信号の帰還経路を提供し、グランドループと電圧降下を最小限に抑えます。同様に、デジタルグランドとアナロググランドも分離する必要があります。静電容量結合を減らすために、アナログラインのみがアナロググランドと交差するようにしてください。

2.トラック設計

このステップでは、回路図に従って信号トレースを接続します。トレースは常に可能な限り短くて直接的である必要があります。PCBの片側に水平方向のトレースルーティングがある場合は、反対側に垂直方向のトレースを配置します。高速回線を配線する際には、インピーダンスマッチングと反射のルールに留意してください。

電源設計では、ボード上にさまざまな電流の複数のネットが必要な場合があり、これにより必要なネット幅が決まります。トレース幅計算機を使用すると、このステップに役立ちます。約10ミルの厚さのトラックは約1アンペアの電流にしか耐えられませんが、250ミルの厚さのトラックは30℃の温度上昇で最大15アンペアに耐えることができます。

3.パッドと穴の寸法

パッドと穴の寸法は、PCB設計プロセスの早い段階で決定する必要があります。パッドと穴のサイズが小さくなるにつれて、正しいパッドと穴のサイズ比を得ることがより重要になります。 特にビアホールを使用する場合は重要です。PCBパッドの形状も重要なパラメータです。PCBフットプリントは、製造プロセスによって異なる場合があります。

PCB設計におけるテストの重要性

PCB設計プロセス全体およびPCB製造プロセスの残りの部分で、作業を継続的に確認する必要があります。 問題を早期に発見することで、影響を最小限に抑え、修正コストを削減することができます。2つの一般的なテスト、電気的ルールチェックと設計ルールチェックは、初期段階で行うことができます。これらのテストは、発生する可能性のあるより重要な問題の多くを解決するのに役立ちます。問題なくERCおよびDRCテストに合格したら、すべての信号のルーティングを確認し、ボードを回路図と詳細に比較する必要があります。

結論

PCBレイアウト設計は、電子デバイスの性能、信頼性、コストに直接影響する重要な技術です。コンポーネントの配置を最適化し、信号の整合性を維持し、適切な熱管理を確保するなどのベストプラクティスに従うことで、技術要件と製造要件の両方を満たすPCBレイアウトを作成できます。設計段階に時間を費やすことで、長期的には、より優れた性能と信頼性の高いデバイスを得ることができます。

あなたが初心者であろうと経験豊富なデザイナーであろうと、PCBレイアウト設計のニュアンスを理解することは、高品質の電子製品を作るために重要です。JLCPCBの適切なツールと技術を使用すると、課題を克服し、効率的で費用対効果の高い回路基板を設計することができます。