PCB レイアウトのナビゲート: エンジニアのためのベスト プラクティス

PCB のレイアウトは単なる外観ではありません。成功した PCB レイアウトは、完全に製造可能であると同時に、最適な電子性能を達成するように回路を物理的に配置します。これには、コンポーネント ライブラリ、CAD 設定とパラメータ、コンポーネントの配置、配線、配電ネットワーク (PDN) の設計を注意深く管理する必要があります。さらに、レイアウト設計者は、自分の作業が完全に文書化されていること、および最終製品が目的の電子システムに組み込む準備ができていることを確認する必要があります。

特に PCB レイアウト プロセスに慣れていないエンジニアにとっては、やるべきことがたくさんあります。このワークフローを支援するには、参照用の包括的な PCB レイアウト ガイドラインのセットを用意することをお勧めします。業界および企業の標準によって設計の詳細が決まりますが、エンジニアが PCB 開発プロセスを最初から最後まで進めるには、レイアウト ガイドラインが不可欠です。ここでは、独自の PCB 開発ガイドを作成するために使用できる、基本的な PCB 設計レイアウト ガイドラインをいくつか示します。

PCB レイアウトを開始する前に

設計を確実に成功させるには、レイアウト プロセスを開始する前にいくつかのタスクに対処する必要があります。最初のタスクの 1 つは、使用する PCB フットプリント ライブラリを確立することです。

PCB レイアウト ライブラリを構築するときは、パッケージのサイズと寸法に関して業界標準 (IPC など) またはメーカーの仕様を使用することが重要です。ただし、個人、会社、または技術的な要件によって、特定の部品のバリエーションが決まる場合もあります。たとえば、RF 設計のパッケージでは、標準のデジタル設計よりも小さなパッド サイズが必要な場合があります。独自の PCB コンポーネント フットプリント ライブラリを構築するための追加ガイドラインをいくつか示します。

• 作成するライブラリ コンポーネントが、コンポーネントの標準に準拠した許容可能なパッド パターン サイズと間隔を持っていることを確認してください。
• PCB フットプリントには、部品の輪郭、シルクスクリーン マーキング、参照番号など、必要な要素がすべて含まれている必要があります。
• 経験則としては、最終設計に提出する前に、設計中の部品をメーカーが製造できることを確認することです。

もう 1 つのオプションは、外部 CAD ライブラリ プロバイダーからの PCB フットプリントを使用することです。部品メーカーは多くの場合、設計システム用に事前に独自のコンポーネントを構築しており、一部のツールにはこれらの部品を簡単にダウンロードできるブラウザが備わっています。

PCB のアウトラインと層の積層

PCB レイアウトを開始する前に、機械設計者と協力して適切な外形形状を取得する必要があります。設計要素は後で変更できますが、変更すると、新しい形状に対応するために回路の大幅な再設計が必要になる場合があります。さらに、ほとんどの CAD ツールは機械設計システムからインポートされたデータを受け入れるため、作業が容易になります。ただし、データをインポートした場合でも、PCB のアウトラインが正しく、立ち入り禁止ゾーンなど、設計に必要なすべての CAD 要素が含まれていることを確認する必要があります。

レイアウトを開始する前に、レイヤースタックアップも完了させておく必要があります。レイヤースタックアップは後から変更することも可能ですが、既存の回路に影響を与える可能性があり、設計スケジュールや予算に支障をきたす恐れがあります。また、インピーダンス制御ルーティングやその他の信号完全性要件を満たす適切なレイヤー構成を確保するため、レイヤースタックアップは設計に合わせて微調整する必要があります。この段階でPCB材料を選択することも非常に重要です。材料の物理的特性に基づいて、適切な配線幅やその他の設計計算を行うことができるからです。これらの特性には、誘電率、絶縁品質、吸湿率、誘電正接などが含まれます。

CAD パラメータと設定

設計者が CAD システムのデフォルト設定で作業しているのを見つけることは珍しいことではありません。ただし、ほとんどの CAD システムでは、ユーザーは色、塗りつぶしパターン、シェーディング、フォント サイズと幅を広範囲に制御できます。また、特定のオブジェクトの表示を変更したり、デザイン要素を別のデザイン要素の上に配置したり、グリッドを設定したり、レイアウトや配線の基本設定を指定したりすることもできます。これらの設定は作業効率を高めるために設計されており、事前に設定を最適化することで時間を節約できます。

コンポーネントの配置ガイドライン

CAD ライブラリ、PCB アウトライン、その他のセットアップ タスクが完了すると、設計を開始できます。このプロセスの最初のステップは、基板上に PCB コンポーネントのフットプリントを配置することです。基板上にコンポーネントを配置するには、回路性能、製造容易性、およびアクセス容易性という 3 つの主要な要件を満たす必要があります。

回路性能

高速回路では、短く直接的な信号経路を実現するためにコンポーネントをできるだけ近くに配置する必要がありますが、この要件を満たすコンポーネントはそれだけではありません。アナログ回路や電源コンポーネントも、それらの高電流経路や高電流経路ができるだけ短くなるように配置する必要があります。これにより、インダクタンスが低減され、信号と電力の整合性が向上します。ただし、場合によっては、バスのルーティングや熱絶縁に対応するために、これらのコンポーネントを分離する必要がある場合があります。

製造可能性

製造コストをできる限り最小限に抑えるには、できるだけ製造しやすい方法でコンポーネントを配置することが重要です。たとえば、コンポーネントが互いに近すぎると、自動的に組み立てられなかったり、自動はんだ付けプロセスではんだ付けが困難になる場合があります。より高度なチップ部品では、その前の小さな部品でウェーブはんだ付けが行われるときにシャドウ効果が発生し、はんだ接続が不良になります。小さなチップ コンポーネントの 2 つのはんだパッド間の銅のバランスが崩れると、加熱が不均一になり、一方のはんだパッドが他方よりも先に溶けて、もう一方の側が引き上げられます。

ユーザー補助

通常、回路基板は手動でテストして再加工する必要があり、それには対処する必要があるコンポーネントにアクセスする必要があります。大きなコンポーネントがこれらのコンポーネントを隠してしまうと、作業に時間がかかったり、隣接するコンポーネントに偶発的な損傷を与えたりする可能性があります。同様に、アクセスできないコネクタ、スイッチ、その他のヒューマン マシン インターフェイスも、回路基板の生産を遅らせる可能性があります。

重要な基本原則は、レイアウトは開発ボード上のコンポーネントの基本的な平面図から始める必要があるということです。これにより、アナログ信号とデジタル信号の重複を避けるために、ボード上のさまざまな回路領域を分割する方法を考案することができます。

PCB レイアウト ガイドライン: コンポーネントの効果的な配置が配線につながります

PCB 配線ガイドライン

回路基板設計者にとって、最適な信号と電力の整合性を実現するために回路基板をレイアウトすることは非常に重要です。短く直接的な配線を実現するには、コンポーネントを最適な位置に配置する必要があります。同時に、すべてのネットワークが完全に配線できるように PCB をレイアウトする必要があります。高密度設計では、これらの要件のバランスをとることが非常に困難になることがあります。最初の PCB デザイン レイアウト ガイドラインは、配線のデザイン ルールと制約を設定することです。

設計ルールと制約

技術的には、デザイン ルールと制約の構成はパラメータと設定に含める必要があります。ただし、ほとんどのルールはトラック ルーティングに直接適用されるため、ここに含めます。ルールと制約は、トラックの幅と間隔を制御するために使用され、個々のネット、ネット クラスと呼ばれるネットのグループ、または指定されていないすべてのネットのデフォルト設定として設定できます。デザイン ルールは、さまざまなネット、配線長、マッチング長に対してどのビアが選択されるか、特定のネットや配線トポロジの配線にどの層が許可されるかを制御するためにも使用されます。さらに、デザイン ルールは、コンポーネントの間隔、シルクスクリーン ルール、機械的クリアランス、その他多くの制約を制御するために使用されます。

信号と電力の整合性

最適なパフォーマンスと信号完全性を実現するために、PCBレイアウト設計者は回路配線に関する特定の要件に従う必要があります。ここで、設計ルールと制約が役立ちます。これにより、設計者は配線用の物理的な配線パラメータをCADシステムに入力できます。正確な値はPCBのニーズによって異なりますが、設計者は通常、以下のガイドラインが遵守されるようにルールを設定します。

• 高速伝送のルートは短く、直接である必要があります。
• 制御されたインピーダンス配線のトラック幅、間隔、および許可された層。
• 一致した長さの配線用に指定されたトラックの長さと長さの許容差。
• 差動ペアの幅と間隔。
• クロックやコントロールなどの機密信号の幅と間隔。
• さまざまなネットのビア タイプ。
• アナログ回路のトラック幅と間隔。
• 大電流電源回路のトラック幅と銅の重量。

覚えておくべきもう 1 つの重要なガイドラインは、ミックスシグナル設計で配線するときに、アナログ配線とデジタル配線の間の領域を越えないようにすることです。

有効な電源およびグランドプレーンのガイドライン

最新の高速設計では、最適な接地戦略として、内層に1つ以上の連続したグランド層を使用することがよくあります。これにより、優れたEMI保護が実現し、明確な信号経路が確保され、信号全体の整合性が向上します。独自のPCB外形や特徴によってグランドプレーンの不連続性が発生する領域では、基板上のグランドギャップへの配線は避けるべきです。信号の明確な帰還経路として機能する連続した隣接するグランドプレーンがない場合、設計によって多くの不要なノイズが発生する可能性があります。以下に、留意すべき電源プレーンとグランドプレーンに関するガイドラインを示します。

• グランド層は信号層に隣接している必要がある。 PCBスタックアップ 高速ルーティングを備えています。これにより、高速ルーティングを干渉から保護し、信号リターン パスに適切な基準プレーンを提供できます。
• サーマル パッドを使用し、プレーンへの電源とアースの接続を慎重に管理します。クッション ストリップのパッド半径は、これらの接続がラジエーターとして機能する機会を排除しながら、大電流を流すのに十分な幅を持つ必要があります。
• 電源接続を計画し、電源プレーンを慎重に分割して、PCB 全体で接続されているすべてのコンポーネントに電力が十分に供給されるようにします。

混合信号設計でアナログ回路とデジタル回路を同時に配線しないようにする

シルクスクリーンおよび PCB のテストガイドライン

PCB設計が完了したら、シルクスクリーン層の仕上げとテストポイントの追加によってレイアウトを最終決定する段階に入ります。参照マーク、部品番号、その他の会社情報は、シルクスクリーン印刷によってインクでPCB上にマーキングされます。設計者は通常、CADシステムの「シルクスクリーン印刷」レイヤーを使用してこれらのマークを設計します。

シルクスクリーン レイヤーのマークを読みやすくするために、デザイナーは次のガイドラインに従います。

• 線幅は 4 ミル以上であってはなりません。
• フォント サイズは 24 ミル未満であってはなりません。

コンポーネントの参照指定子は、回路基板上の特定の部品を見つけやすくするために、会社のグリッド パターンに基づいて名前を変更する必要があります。参照マークを移動および回転して読みやすくします。必要に応じて、極性とピン 1 のマークを含めます。

テスト ポイントは、自動アセンブリ検証のための大量生産を目的とした回路基板にとって非常に重要です。設計内の各ネットワークには、既存のスルーホール ピン、ビア、または追加された表面実装テスト パッドのいずれであっても、テスト ポイントが必要です。テスト ポイントは、コンポーネントやパッドなどの PCB 上の他のオブジェクトから少なくとも 50 ミル、PCB の端から少なくとも 100 ミル離れている必要があります。ただし、これらの値はサプライヤーによって異なる場合があるため、メーカーのテスト ポイント要件が何であるかを必ず確認してください。