初心者のための PCB 設計: 最初の基板を構築するためのステップバイステップ ガイド

初心者が最初に送ったボードは通常、3 つの問題のうちの 1 つを抱えて戻ってきます。コネクタの設置面積がパッドから 0.5 ミリメートル離れていること、負荷がかかった状態で電源トレースが熱く動作すること、または作業を開始する前に製造業者がメールで通知しなければならないガーバー パッケージです。どれも回路エラーではありません。これらは、回路図が画面上ですでに作業された後に行われるレイアウトと引き継ぎの決定です。

最初の設計では、信頼できるパスは狭いです。基板を片面または二層にし、単一の配線を配線する前にすべてのコネクタと取り付け穴を配置し、目視ではなく現在のテーブルから電源配線のサイズを決定し、製造業者が実際に製造できるものと一致するデザイン ルール チェックで仕上げます。以下のセクションでは、これらの各ステップが存在する理由と、それをスキップした場合のコストについて説明します。

検証できる回路図とフットプリントから始める

回路図は、「実際の」設計作業が始まる前に完成させる事務手続きではありません。レイアウト、部品表、および組立図を決定するのはネットリストであり、ネットリスト内に残されたすべての不一致は、後で切断する必要がある銅配線になります。

余分な 1 時間はレイアウトではなく、図書館で過ごしてください。オープン リポジトリやディストリビュータ サイトは他のユーザーが描いたフットプリントでいっぱいで、0.2 mm の狭すぎるパッドでも画面上では説得力があるように見えますが、手によるはんだ付けはほぼ不可能です。

• 独自のランド パターンを描画するのではなく、コンポーネント データシートから推奨ランド パターンをコピーします。
• ピン 1 の向きを確認し、パーツが下側にあるときにミラーリングされるかどうかを確認します。
• 各フットプリントの中庭が隣接する庭と重なっていないことを確認します。
• 両方をレイアウトにインポートする前に、フットプリントのパッド数をシンボルと一致させてください。

フロー全体のメンタル モデルを構築中の場合は、週末にレイアウト ツールを使用する前に、PCB 設計の基本、スタックアップの選択、トラブルシューティングのヒントに関するウォークスルーを読む価値があります。

通常は片面または 2 層の基板で十分です

最初のプロジェクトでは、ほとんどの場合 1 つまたは 2 つの層に回路が搭載されます。シンプルな基板は製造コストが安く、到着も早く、何か問題が発生した場合のやり直しがはるかに簡単です。

片面基板では、すべての配線が下部の銅線に配置され、すべての部品が上部に配置されます。心配するメッキビアはなく、あるトレースが別のトレースと交差する必要がある場合は、再設計ではなくワイヤリンクで解決します。タイマー、センサー ブレークアウト、シングル トランジスタ ドライバーなど、多くの最初のプロジェクトが一方的なものに留まるのはそのためです。

表面仕上げは初心者が予想する以上に重要です。有機はんだ付け性保存剤である OSP は、はんだ付けに適した平らな銅を残し、適度な保存期間を保ち、金めっきよりもコストを抑えます。片面 OSP ボードは、不器用なはんだごてによって損傷する可能性のある部分がほとんどないため、最初に選択するのが賢明です。

片面OSP PCBボード 片面 OSP PCB は、環境に優しく無毒な有機はんだ付け性フィルム (OSP) 表面処理を利用しています。非常に平坦なパッド、マキ... 製品を見る→

2 つの層により片面に連続したグランド プレーンが得られ、非常に少ない費用でノイズと信号品質を最大に改善できます。設計にスイッチング レギュレータ、SPI バス、または水晶振動子が含まれている場合は、2 つの層から始めます。

ルーティングやノイズにより 4 つのレイヤーに移動する必要がある場合

信号密度やクロック速度が上昇すると、4 層は贅沢ではなくなります。初心者に優しい標準的な配置は、信号、グランド、電源、信号です。すべてのトレースはその直下に連続したリファレンス プレーンを取得します。これにより、2 層レイアウトの悩みの種であるリターン パスの推測のほとんどが排除されます。

2 層から 4 層へのステップは現実的ですが、通常は人々が恐れているよりも小さく、はるかに少ないレイアウト時間でより静かなボードを購入できます。緑色のはんだマスクと OSP 仕上げを備えた標準の 4 層ビルドが、多くの最初の本格的な設計で最終的に完成します。

4層グリーンOSP PCB 4層 double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... 製品を見る→

配線する前にコンポーネントを配置する

配線の難易度のほとんどは配置によって決まります。初心者は、パーツを大まかに配置し、配線を開始してから、コネクタを移動する必要があることに気づくことがよくあります。

1. コネクタ、スイッチ、LED、取り付け穴を最初に配置します。これらの配置場所はエンクロージャによって決まります。
2. 次に、結晶、アンテナ、ヒートシンクなど、立ち入り禁止領域のあるものなど、機械的制約のある部品を追加します。
3. 各デカップリング コンデンサは、それが使用する電源ピンのできるだけ近くに、スペースが許せば同じ側に配置します。
4. 残りのコンポーネント間の接続が短くなるように配置し、配線を開始します。

製造者が別途指示しない限り、銅は基板の外形から少なくとも 0.3 mm 離してください。また、V スコアまたはルーティングされたエッジは組み立て後に材料を除去することに注意してください。テストポイントを高い部品の下に埋めないでください。また、測定する必要があるものの周囲にプローブスペースを残しておいてください。測定するのは自分自身です。

サイズは習慣ではなく現在のものに由来します

トレース幅は、他のものよりも先に熱によって決定されます。電流に対して狭すぎるトレースは加熱され、電流だけではなくその温度上昇が最終的にラミネートやはんだ接合部に損傷を与えることになります。

IPC-2221 曲線は、ほぼすべてのオンライン トレース幅計算ツールの背後にあり、パターンは単純です。幅は現在よりも速く増加します。同じ銅厚で 1A から 2A に変更すると、必要な幅は 2 倍ではなく、約 2.6 倍になります。ラミネートが熱を閉じ込めるため、内層のトレースもより高温になります。そのため、内層のトレースには同等の外層の幅の約 2.6 倍が必要です。

これらの数値は温度のみの最小値として扱います。電圧降下、制御されたインピーダンス、ヒューズ電流はすべて幅を大きくします。

デザインが本当に電流を流している場合、詳細を購入するよりも、銅の重量と表面仕上げがレイアウトの決定事項となります。 2 オンスの銅は、表のすべての幅をほぼ半分にします。また、電力および自動車エレクトロニクス用に構築された両面鉛フリー基板で使用されるような鉛フリーはんだ付け仕上げは、プロセスとはんだ付けする表面の両方を変更するため、早期に指定する価値があります。

パワーおよび自動車エレクトロニクス向けの両面グリーン鉛フリーはんだ付け PCB 両面緑色の鉛フリー錫メッキ基板。錫コーティングにより形成された厚い金属バリアは、優れた放熱性能と耐衝撃性を備えています。 製品を見る→

幾何学も重要です。 90 度ではなく 45 度で配線し、大電流ループを物理的に小さく保ち、スタックアップが許す限り途切れのないグランド上に信号トレースを配線します。

ファブリケーターの実際の制限に対抗して DRC を実行する

デザインルールのチェックは、最終的に保存される形式的なものではありません。開始する前にファブリケーターの公開された機能からルールを設定し、配置後と配線後に再度チェックを実行します。

多層工場は、3/3 ミルの線幅と間隔を保持できます。その形状の 6 層金メッキ基板は、多くの工場で日常生産されています。しかし、6/6 ミルで設計すると、最初の基板のコストが遅くなり、パフォーマンスに何のコストもかからず、エッチングのばらつきや安価な見積もりに対するマージンが残ります。

エクスポートする前に、次のチェックをオフにします。

• 未接続のシングルパッドネット。これは通常、回路図シンボルが配線されていないことを意味します。
• トレース、パッド、および銅注入間のクリアランス違反。
• 露出したパッド上にシルクスクリーン印刷されるため、はんだペーストが妨げられます。
• アニュラー リングとドリルのサイズが製造業者の最小値を下回っています。
• オーバーラップまたは重複したパッド。フットプリントの編集時に残されることがよくあります。

次に、ガーバーを RS-274X 形式で、レイヤーごとに 1 つのファイルでエクスポートします。さらに、一致する単位の NC ドリル ファイルと、レイヤー数、基板の厚さ、銅の重量、表面仕上げ、およびインピーダンス要件をリストした短いテキスト メモをエクスポートします。製造業者が質問するたびに、見積もりに 1 日かかります。

何を送り、何を返すか

ファイルが正しいと、制作は迅速に行われます。単純な基板の標準リードタイムは次のようになります。

• 片面および両面の大ロット: 6 ～ 7 日
• 4～8層：9～20日
• 10～16層：20～25日
• 16～32層：25～45日
• HDI ボード: 25 日以内
• 両面プロトタイプ: 最短 24 時間

価格は、サイズ、層数、銅の重量、仕上げ、数量、および公差をどれだけ厳しくするかによって決まります。認証は、工場がどの市場に対応できるかを示します。ISO 9001、ISO 14001、および ISO 45001 は一般的な品質、環境、安全管理をカバーしていますが、IATF 16949 は基板が最終的に車両に搭載されるときに重要であり、UL は最終製品が北米で販売されるときに重要です。ガーバーをロックする前に、将来のサプライヤーのサービス ページを読むと、ガーバーが毎日実行する公差と仕上げがわかります。これは、能力表に印刷されている最小値よりも役立ちます。

この記事から 1 つのシーケンスを取り出すと、次のようになります。

1. 回路図を描き、すべてのフットプリントをデータシートと照合して検証します。
2. 信号を伝送する最も低い層数を選択し、2 つの層に移動したらすぐにグランド プレーンを追加します。
3. 何かを配線する前に、コネクタ、取り付け穴、デカップリング コンデンサを配置します。
4. 電流テーブルから電力トレースのサイズを決定し、電流ループを短く保ちます。
5. DRC を実行し、NC ドリル ファイルを使用して RS-274X ガーバーをエクスポートし、スタックアップ メモを書いたパッケージを送信します。

次に、少量のプロトタイプを注文し、ゆっくりと電源を入れ、何を変更するかを書き留めます。 2 番目のボードは常に 1 番目のボードより優れており、PCB 設計を学ぶ最も早い方法は 1 つを完成させることです。