PCB設計・開発におけるパッドとは

パッドは電子部品の足やリードの着地点として機能し、これらの部品をPCBに確実にはんだ付けできるようにします。パッドは銅が露出した小さな導電エリアで、部品と基板間の電気的および機械的接続を可能にします。トレースはパッドからPCB全体に配線でき、はんだ付けの際に部品のピンを所定の位置に固定するのにも役立ちます。パッドが重要な理由は以下の通りです：

・PCB上の部品とトレース間の強力な電気的接続を確保する。

・部品を所定の位置に保持するための機械的サポート。

・製造時の組み立てやはんだ付け工程を容易にする。

このブログでは、PCB設計で使用されるパッドの種類、基板の全体的な機能におけるパッドの重要性、PCBを設計しパッドを配置するためのベストプラクティスについて説明します。

PCB設計におけるパッドの種類

PCBパッドは長方形、円形、正方形など様々な形状の銅エリアを表します。PCB設計で一般的に使用されるパッドは主に2種類あります：

スルーホールパッド（THT）：

スルーホールパッド（THT）：従来のスルーホール技術で使用されるもので、部品のリード線がPCBに開けられた穴を通り、反対側ではんだ付けされます。このパッドは、基板の両側の穴の周囲に銅があります。スルーホールパッドには2種類ある。以下にその種類を示す：

メッキスルーホールパッド： PTHパッドは、PCB製造工程で導電材料（通常は銅）が裏打ちまたはコーティングされた穴のあるパッドです。穴の中の銅メッキは、基板を貫通する導電経路を作り、最上層と最下層、または内部層を接続します。これらのパッドは、リード線付き部品の取り付けや、PCBの異なる層を接続するビアとして使用できます。穴の内壁は銅層で覆われており、穴を検査する際に見えることが多い。

非メッキスルーホール： NPTHパッドは、導電性メッキを施していない穴があります。穴は単に基板を貫通するように開けられ、穴の内側に導電材料が並ぶことはありません。ネジやファスナー、アライメントピンを通す場所にはなりますが、電気を通すことはありません。

表面実装パッド（SMD）：

表面実装技術（SMT）パッドは、穴を開けずにPCB表面に直接実装する部品用に設計されています。SMTパッドは一般的に小さく、よりコンパクトな設計が可能で、これは現代の電子機器に不可欠です。SMDパッドには、主に次の2種類があります：

SMD BGAパッド： BGAパッドに適用されるソルダーマスク開口部がSMDパッドを定義します。これらのBGAパッドは、カバーするパッド径よりも小さいソルダーマスク開口部を持つ。これは、銅のPCBパッドサイズを縮小するために行われます。

NSMDパッド： ソルダーマスクとパッドエッジの間に隙間ができるようにマスクを作成します。

手動と自動PCBパッド設計：

パッドの手動PCB設計には、PCB設計ソフトウェアツールの助けを借りて、必要なパッド形状を設計することが含まれます。これは、一般的なパッドのサイズと形状の公式やデータシートを使用して表現することができます。

手作業では、自動化されたシステムのように、設計者の仕様が公式に忠実でないため、エラーが発生しやすい。これは、PCBパッドのサイズや形状を設計することにつながり、次のような望ましくない結果につながります：

・スルーホールブレークアウト

・不十分なはんだ接合

・部品の浮き

・ツームストーニング部品

そのため、ほとんどの設計ソフトはパッドと部品のフットプリントを作成するために自動設計ウィザードを使用しています。

PCBパッド設計と開発方法

PCB設計と開発には、基板のレイアウトを作成し、適切な部品を選択し、それらの間の相互接続を設計することが含まれます。異なるコンポーネントには異なるピン構成、番号、パッケージタイプがあります。リード線がはんだ付けされた電気回路基板上の覆われていない金属部分は、PCBパッドとして知られています。これらのパッドを一緒に整列させることで、コンポーネントのフットマークPCB設計モデルを作成します。パッド設計には主に2つの要素が含まれます：

1.  シンボル設計

2.  フットプリント設計

設計には、オープンソースライブラリとオンライン環境のEasyEDAを使用しています。

シンボル設計

EasyEDAを起動し、回路図エディタに進みます。トップメニューのSymbol Editorを開き、Libraries > Create Symbolをクリックします。

・左のツールバーから、矩形、線、ピンなどの描画ツールを使用して、コンポーネントの視覚的な表現を作成します。

・「ピン」ツールを選択し、シンボル上に配置してピンを追加します。コンポーネントのデータシートに従って番号を付けてください。

・コンポーネントの仕様に合わせて、ピンにピン番号と名前を付けます。

・シンボルを右クリックし、Properties を選択します。ここで、名前、説明、および参照デジグネータ（例えば、抵抗は R、コンデンサは C）のような他のプロパティを入力することができます。

・シンボルが完成したら、Save をクリックし、シンボルに適切な名前を付けます。シンボルはパーソナル・ライブラリに保存されます。

フットプリント設計：

Libraries > Create Footprint をクリックしてフットプリント・エディタを開きます。

・設計する部品に応じて、グリッドを適切なサイズに設定します。SMD部品の場合はTop Layer、スルーホール部品の場合はTop/Bottom Layerで作業していることを確認してください。

・スルーホールパッドにはパッドツールを、SMDパッドには表面実装パッドツールを使用します。これはウィザードで、シンボルを瞬時に自動で描画・作成します。

・データシートにある部品のピン配置に従ってパッドを配置する。サイズ、形状、穴径（THTの場合）がメーカーの仕様と一致していることを確認してください。

・ラインツールとテキストツールを使用して、 コンポーネントのアウトラインや参照デ ィネータのようなシルクスクリーン・マー クを追加します。

・アウトラインがコンポーネントの実際の寸法に対応していることを確認します。フットプリントが完成したら、Save をクリックしてパーソナルライブラリに保存します。

シンボルとフットプリントを作成した後、シンボルを開いてPropertiesを開き、ライブラリから対応するフットプリントを選択することでリンクできます。異なるパッケージの詳細については、詳細記事をご覧ください。

パッド設計におけるビア？

HDIパターンのスペースが限られている場合、パッド上にビアを配置する必要があります。従来のビアは、信号とトレースがパッドとビアから離れて配線されています。ビアインパッドは、トレースルーティングによって使用されるスペースを削減し、PCBパッドのフォームコンポーネントを削減します。このパッドは0.5mmピッチ以下のBGA素子に使用されます。JLCPCBは最近、この新しい設計手法を導入し、PCBを製造して試すことができます。

プリント基板のビアプラギングとは？

ビアプラギングとは、ビアを樹脂で埋めたり、ソルダーマスクで塞いだりする方法です。この方法は、樹脂やソルダーマスクがビアホールを充填しないため、ビア・テントとは異なります。カバーするだけです。この技法は、はんだ付け工程の間、はんだの好ましくない流れからビアを保護するために採用されます。ビアがふさがれていないと、パッドからビアにはんだが流れ込むことがある。これは、不要なはんだ接合の発生につながります。

PCBパッドのサイズを決める要因とは？

PCBパッドのサイズは、部品の形状やサイズ、基板の種類や品質、組立装置の能力、使用するプロセスの種類や能力、要求される品質レベルや規格などの要因によって決まります。ここで重要な役割を果たすのがサイズの間隔と公差で、これは通常、部品のデータシートの最後に記載されています。

パッドのサイズを設計する際には、部品のサイズ間隔と公差、はんだ接合部のサイズ要件、基板精度、安定性と加工性（配置と位置決め精度など）、基板サイズを考慮する必要があります。

PCBパッド設計の考慮事項：

パッドを設計する際には、いくつかの要素を考慮する必要があります：

・サイズと形状： サイズと形状：パッドは、部品のリードをサポートし、効果的なはんだ付けを可能にするのに十分な大きさでなければなりませんが、貴重な基板スペースを無駄にするほど大きくはありません。

・間隔： パッドとパッドの間隔が適切であれば、はんだブリッジによる短絡が発生しません。

・材質： パッドは通常銅製で、はんだ付け性と耐食性を高めるため、金や銀などのメッキが施されています。

結論

パッドはPCB設計と開発プロセスに不可欠です。これらの小さな導電性領域は、コンポーネントを回路の残りの部分に接続し、コンポーネント間の信号と電力を配線する上で非常に重要です。 パッドは、ボードの機能性と信頼性に不可欠です。スルーホール部品を使用する場合でも、表面実装デバイスを使用する場合でも、パッド設計に細心の注意を払うことは、PCBレイアウトを成功させるために不可欠です。パッドが適切に設計されていないと、はんだ付けの問題や接続不良が発生し、電子機器の誤動作につながる可能性があります。したがって、パッド設計をマスターすることは、効率的で耐久性のあるプリント回路基板を作成するための重要なステップです。