回路基板を設計する11つのステップ

回路基板の設計は、繰り返し可能なプロセスです。完成した回路から、回路図の作成とレイアウトを経て、工場が必要とする製造ファイルを作成します。手順を順番通りに実行し、最後の検証を省略しないことが、初回で正常に動作する基板と、問題が発生して戻ってくる基板を分ける鍵となります。このガイドでは、回路基板を設計するための11のステップを4つのフェーズに分けて解説し、実際に製造可能な結果を​​得るために必要な実践的な詳細と製造を考慮した設計習慣を紹介します。

フェーズ1 — 構築するものを定義する（ステップ1～2）

ソフトウェアを起動する前に、回路構成を明確に把握しておく必要があります。この段階を経ることで、レイアウト後に根本的な設計上の問題が発覚するという、最もコストのかかる手戻りを防ぐことができます。

ステップ1：回路を完成させる

電気設計全体、つまりすべての機能ブロック、コンポーネント、電力要件、および各部品の相互接続方法を詳細に検討してください。動作が不確実な場合は、まずブレッドボードまたはシミュレータで検証し、未検証のアイデアを実際の配線に落とし込まないようにしてください。ここでコンセプトが明確であればあるほど、後工程がスムーズになります。

ステップ2：デザインソフトウェアを選択する

プロジェクトと経験レベルに合ったEDAツールを選びましょう。初心者はEasyEDAやKiCadから始めることが多いですが、プロフェッショナルな作業ではより大規模なツールスイートを使用することもあります。重要なのは、回路図から製造ファイルまでを網羅できるツールを選ぶことです。そのため、標準的なガーバーファイル、ドリルファイル、部品表（BOM）、ピックアンドプレースファイルの出力に対応していることを確認してください。

フェーズ2 — デザインの把握（ステップ3～4）

次に、回路をソフトウェアが使用する形式的な表現、つまり回路図と、それを物理的な部品に接続するフットプリントに変換します。

ステップ3：回路図をキャプチャする

回路図エディタで回路図を描き、部品を配置し、配線またはネットラベルで接続します。論理的に読みやすいレイアウトにし、関連する回路をグループ化してください。整然とした回路図は、デバッグやレビューがはるかに容易になります。この図は、レイアウトを生成するための信頼できる情報源となります。

ステップ4：フットプリントの割り当てと検証

すべての回路図シンボルには、部品が実際に半田付けされるランドパターンである物理的なフットプリントが必要です。各フットプリントを割り当て、メーカーのデータシートと照合して確認してください。フットプリントの間違いは、最初の基板が失敗する最も一般的な原因の1つです。パッドのサイズ、間隔、コートヤード、ピン番号を確認してください。正しいフットプリントは、後のPCBアセンブリ時にも役立ちます。ランドパターンの不一致は、配置や半田付けの欠陥を引き起こすからです。

フェーズ3 — ボードの配置（手順5～9）

これはプリント基板設計の中核であり、回路図を物理的な基板へと変換する作業です。エンジニアリング上の判断の大部分はここに集約されます。

ステップ5：ボードのアウトラインとスタックアップを定義する

基板のサイズと形状を筐体に合わせて設定し、次に層数と積層構造を決定します。層数は複雑さと配線密度によって決まり、インピーダンス制御基板の場合は積層構造が設計上の重要な決定事項となります。これは高速PCB製造に直接関係する部分です。積層構造が製造業者で製造可能なものであることを確認してください。

ステップ6：デザインルールを設定する

配置や配線を行う前に、最小配線幅、クリアランス、ビアサイズ、アニュラーリングなどのルールを定義してください。これらのルールを製造元の実際の能力に合わせて設定することで、エディタが最初から構築可能な基板へと導いてくれます。事前にルールを設定しておくことで、配線中に発生する可能性のある違反を防ぐことができます。

ステップ7：部品を配置する

基板上に部品を配置します。適切な配置は、優れたレイアウトの大部分を担います。関連する部品をグループ化し、高速かつ高感度な信号は短く保ち、コネクタと取り付け穴は機械設計で必要な場所に配置し、配線をきれいにするためのスペースを確保します。ここに時間をかけることで、配線作業において何度もその恩恵を受けることができます。

ステップ8：接続をルーティングする

部品同士を銅配線で接続し、各配線は流れる電流と必要なインピーダンスに合わせて適切なサイズに設計します。重要な配線は短くし、クリーンな帰還経路を確保することで、信号の完全性を維持します。配線は、慎重な配置によって作業が容易になる場合もあれば、急いで行うと大変な作業になる場合もあります。

ステップ9：銅の注ぎ込み、平面、シルクスクリーンを追加する

低インピーダンスの帰還経路を確保しノイズを低減するために、グランドプレーンや電源プレーン、あるいは銅箔パターンを追加し、さらにシルクスクリーン印刷、リファレンス指定子、極性マーク、ラベルなどを追加することで、基板の組み立てと保守を容易にします。これらの仕上げ作業は、性能と製造性の両方に大きな影響を与えます。

フェーズ4 — 検証とリリース（ステップ10～11）

デザインは完成したように見えるが、チェックに合格し、クリーンな出力ファイルが生成されるまでリリースされない。

ステップ10：DRCとERCを実行する

デザインルールチェック（DRC）を実行して、基板をルールと比較し、配線間隔が狭すぎる、クリアランスが小さすぎる、配線されていない接続、ルールに違反するビアなどを確認し、報告された違反をすべて修正してください。回路図に対しても電気ルールチェック（ERC）を再実行してください。DRCとERCが正常であれば、製造に着手する前にエラーを検出できる最後の、そして最も費用対効果の高い機会となります。

ステップ11：製造出力を生成する

工場が必要とするファイルをエクスポートしてください。各層のガーバーファイル、NCドリルファイル、そして組み立てに必要な部品表とピックアンドプレースファイルです。標準ファイルでは取得できないパラメータ、基板の厚さ、銅箔の厚さ、ソルダーマスクとシルクスクリーンの色、表面仕上げ、インピーダンス要件なども含めてください。これらのクリーンな出力が揃ったら、PCB製造に発注する準備が整います。

最初から製造性を考慮した設計を行う

ほとんどの設計者ができる最大の改善点は、製造可能性をステップ11だけでなく、最初から最後まで考慮することです。基板はすべての電気的チェックに合格しても、製造が困難であったり、コストがかかったりする可能性があります。

各段階に製造可能性を組み込む

• レイアウト部品の配置や検査のために十分な間隔を空け、製造業者が確実に製造できる範囲を超えるような細かい形状は避けてください。
• 組み立て用基準マークを追加し、適切なクリアランスを確保し、基板がSMTラインをスムーズに通過するように適切にパネル化します。
• 熱設計用熱が基板からどのように放出されるかを計画する。高出力回路には、 金属コアアセンブリ.
• ボリュームについて生産を念頭に置いて設計することで、同じファイルがスケールして 大量のPCBアセンブリ 再設計なしで。

これを確実にする現実的な方法は、契約前にメーカーによる設計レビューを受けることです。無料のDFMレビューでは、実際のプロセスと照らし合わせてファイルをチェックし、問題点、クリアランスの限界、ドリルサイズが限界に近いこと、データの欠落などを、修正費用がまだ安い段階で指摘してくれます。

再スピンを節約するための実用的なヒント

基板の改良版が作られる原因のほとんどは、避けられるはずの些細な見落としにあります。こうした習慣を製造プロセスに組み込むことで、時間と再製造コストの両方を節約できます。

ルート設定の前に

• すべてのフットプリントをデータシートと照らし合わせて再確認し、特にピン1とコネクタの向きに注意してください。
• 各ICの電源ピンの近くにデカップリングコンデンサを追加してください。これらがないと、動作が不安定になる典型的な原因となります。
• コネクタの性別とピン配置を、接続先の部品と照合して確認してください。

ルートを辿っている間

• 電源線と接地線は、実際に流れる電流に合わせて太くしてください。
• 高速かつ高感度な信号には、短い経路とクリーンな帰還経路を与えること。これこそが、高速プリント基板製造の基本原則である。
• 電圧および製造工程に応じて適切な間隔を確保してください。

リリースする前に

• 明らかな問題だけでなく、すべてのDRCおよびERC項目を修正してください。
• 注文前に、無料のDFMレビューなど、製造可能性チェックを実施してください。
• シルクスクリーン印刷を再度読み、参照指定子、極性マーク、およびピン1の指示を確認してください。

これらの手順はどれも難しいものではありませんが、これらを省略することが、最初の基板が修正のために戻ってくる最も一般的な理由です。数分間の確認作業で、製造サイクルを短縮できます。

11のステップの概要

これら11のステップを順番に、製造性を考慮しながら進めることで、工場でスムーズに製造できる設計が完成します。Highleap Electronicsについて、また、設計ファイルから実際の基板に至るまでのプロセスについては、こちらをご覧ください。

よくある質問

回路基板の設計における主な段階は何ですか？

4：回路を定義し、ソフトウェアを選択する。回路図を取得し、フットプリントを割り当てる。基板レイアウトを作成する（外形、ルール、配置、配線、プレーン）。検証とリリースを行う（DRC/ERC、その後製造ファイルを生成する）。11のステップはこれらのフェーズに含まれます。

どの工程が、最初の基板の不良を最も多く引き起こすのか？

フットプリントの割り当て（ステップ4）はよくある問題です。ランドパターンが間違っていると、部品が正しく収まらなかったり、はんだ付けできなかったりするからです。デザインルールチェック（ステップ10）を省略したり、急いで実行したりすることも、よくある原因です。フットプリントを検証し、DRCに合格することで、ほとんどの不具合を防ぐことができます。

ルーティングを行う前に、設計ルールを設定する必要がありますか？

はい。製造元の能力に合わせて、最小配線幅、クリアランス、ビアサイズ、アニュラーリングを事前に設定することで、エディタは構築可能な基板へと誘導され、違反が蓄積されるのを防ぐことができます。配線後にルールを設定すると、配線のやり直しが必要になります。

ステップ11ではどのようなファイルが生成されますか？

各層のガーバーファイルと、製造用のNCドリルファイル、さらに部品表と組み立て用のピックアンドプレースファイルが必要です。また、基板の厚さ、銅箔の厚さ、ソルダーマスクとシルクスクリーンの色、表面処理、インピーダンス要件も指定してください。

適切な配置と適切な経路設定の違いは何ですか？

配置は部品の配置場所を決定し、配線は部品同士を接続します。適切な配置、関連部品のグループ化、重要な信号の短距離化、銅箔のためのスペースの確保は、配線を容易にします。配置を急ぐと、どんなに熟練した人でも配線が難しくなるため、ステップ7には時間をかけてください。

製造可能性について考えるべきタイミングはいつですか？

最初の段階から、リリース時だけでなく、常に設計に気を配りましょう。組み立てのためのスペースを確保し、製造業者が製造できる範囲を超える微細な形状を避け、熱伝導経路を計画し、全体を通して量産性を考慮した設計を行うことで、コストのかかる再設計を回避できます。発注前に製造業者によるDFM（製造性設計）レビューを受けることで、設計が製造可能であることを確認できます。

取締役会が2回目の改訂を必要とする最も一般的な理由は何ですか？

回避可能な見落としとしては、フットプリントの誤り、デカップリングコンデンサの欠落、コネクタのピン配置の誤り、またはDRCで指摘された未修正項目などが挙げられます。データシートと照らし合わせてフットプリントを確認し、デカップリングコンデンサを追加し、コネクタを検証し、リリース前にすべてのDRCおよびERC項目を解決することで、ほとんどの再設計を防ぐことができます。

回路基板の設計にはどれくらい時間がかかりますか？

複雑さによって大きく異なり、シンプルな基板なら半日程度で済む場合もあれば、複雑な基板なら数週間かかる場合もある。回路図の作成と配線に最も時間がかかることが多く、リリース前に徹底的な検証を行うことは、後々の大幅な再設計を避けるためにも非常に有益である。

回路図とレイアウトにはそれぞれ別のソフトウェアが必要ですか？

いいえ。最新のEDAツールは、回路図作成とPCBレイアウトを1つのパッケージで処理し、製造用ファイルも出力できるため、1つのツールで回路図からガーバーファイルまで作成できます。プロジェクトの複雑さに対応し、標準的な出力形式に対応しているツールを選択してください。

回路図を省略して、直接基板レイアウトを作成しても構いませんか？

これは強くお勧めしません。回路図はレイアウトとネットリストの生成元であり、それらと照合して検証を行うための信頼できる情報源です。回路図を省略すると、電気的な規則のチェックが省略され、エラーの発見がはるかに困難になります。まず回路図を取得し、それに基づいて基板レイアウトを作成してください。