PCB設計とは何ですか?基本、手順、スタックアップ、トラブルシューティングのヒント

プリント基板設計とは何ですか?

PCB 設計は、電子回路図を製造可能な物理的な基板レイアウトに変換するプロセスです。設計者は、各コンポーネントがどこに配置されるか、銅配線がコンポーネントをどのように接続するか、基板に必要な層の数、および製造者が満たさなければならない材料と公差を指定します。出力は、自動製造装置を駆動する業界標準形式のガーバー ファイルのセットです。

完成した PCB は、永久的な配線図以上のものです。これは、機械構造、熱管理システム、電磁環境を同時に備えています。適切に設計されたボードは、信号をきれいに配線し、熱を効率的に放散し、EMC テストに合格します。適切に設計されていないものは、ベンチでは機能しても、実際の動作条件下でのみ発生するノイズ、クロストーク、または電力整合性の問題により、現場では機能しなくなる可能性があります。

の基本 PCB すべてのエンジニアが知っておくべき設計

EDA ツールを開く前に、設計者は、レイアウト中に行われるすべての決定を制御するいくつかの基本的な概念を理解する必要があります。

レイヤーとスタックアップ

PCB は、交互に積層された銅層と誘電体 (絶縁) 層で構成されます。シンプルなデザインでは 2 つのレイヤーを使用します。コンポーネント密度が高いボードやシグナルインテグリティ要件がより厳しいボードでは、4、6、8、またはそれ以上が使用されます。各層は信号ルーティング、グランド基準、電力分配などの役割を果たし、これらの層の配置はスタックアップと呼ばれます。

インピーダンスとシグナルインテグリティ

高周波では、銅配線は伝送線として機能します。その 特性インピーダンス — トレース幅、銅の厚さ、誘電率、および最も近い基準面までの距離によって決まります — 反射を防ぐために、ソースと負荷のインピーダンスを一致させる必要があります。ほとんどのデジタル インターフェイスは、50 Ω シングルエンドまたは 100 Ω 差動をターゲットとしています。これらの値から逸脱すると、信号劣化が発生し、周波数が上がるにつれて悪化します。

リターン電流と基準面

すべての信号電流にはリターンパスがあります。高周波では、戻り電流は最短の DC パスではなく、最も近い基準面上の信号トレースの直下を通過します。 この戻り経路を遮断する たとえば、プレーン スプリットまたはスロットを横切ってトレースを配線すると、リターン電流が強制的に迂回され、EMI を放射するループ アンテナが作成されます。高速配線下でリファレンス プレーンを連続的に保つことは、設計者が行う最も影響力のあるレイアウト決定の 1 つです。

PCB ボードの設計手順

PCB 設計プロセスは、基板の複雑さに関係なく、一貫した順序に従います。ステップをスキップすると、特に初期の設計レビューでは、コストのかかる再スピンが発生するのが一般的です。

1. 回路図のキャプチャ : EDA ツールですべてのコンポーネント、ネット接続、および電気ルールを定義します。各コンポーネント シンボルにフットプリントを割り当てます。
2. 設計要件と制約 : 基板寸法、層数、最小トレース/スペース規則、インピーダンス目標、熱要件、および規制規格 (IPC-2221、IPC-2152 など) を文書化します。
3. スタックアップの定義 : 層数、材質、誘電体の厚さ、銅の重量を選択します。配線を開始する前に、製造業者にインピーダンス目標を確認してください。
4. コンポーネントの配置 : 重要なネットの配線長を最小限に抑え、関連回路をグループ化し、熱ゾーンを尊重し、機械的制約を満たすようにコンポーネントを配置します。配置は配線品質の 80% を左右します。
5. 電源とアースの配線 : 信号配線の前に、電源レールを配線し、グランド プレーンを確立します。デカップリング コンデンサは、IC 電源ピンのできるだけ近くに配置する必要があります。
6. 信号ルーティング : 高速で高感度の信号を最初に配線し、インピーダンスを維持し、ビア遷移を最小限に抑え、差動ペアの結合と長さの一致を維持します。
7. デザインルールチェック(DRC) : クリアランス違反、接続されていないネット、環状リングのサイズ、製造上の制約について自動チェックを実行します。
8. ガーバーの生成と製造のレビュー : 製造ファイルをエクスポートし、送信する前にガーバー ビューアでレビューします。スタックアップ、ドリル ファイル、シルクスクリーンを製造業者に確認します。

6 層 PCB スタックアップの例

設計に高速インターフェイス、高密度の BGA 配線、または厳格な EMI 要件が含まれる場合、6 層スタックアップは 4 層ボードからの最も実用的なアップグレードです。追加の層により、専用のリファレンス プレーンが内部信号層を囲むようになり、放射とクロストークを低減する制御されたストリップライン環境が作成されます。

1.6 mm FR-4 ボードの標準的な 6 層構成:

L2 をグランド、L4 を電源として、レイヤー 3 は 2 つのリファレンス プレーンに挟まれた真のストリップライン構成で配置され、最もノイズに敏感な信号の適切な拠点となります。 L1 と L2 の間の薄いプリプレグ (通常は 3 ～ 4 ミル) により、50 Ω のトレース幅が約 4 ～ 5 ミルで達成可能に保たれ、標準的な製造プロセスと互換性があります。

PCB のトラブルシューティング方法

適切に設計された基板であっても、製造時に欠陥が見つかったり、組み立て後に故障したりする場合があります。ランダムなコンポーネント交換ではなく、構造化されたトラブルシューティング プロセスにより、障害をより迅速に発見し、巻き添え被害を回避します。

ステップ 1: 電源を入れる前の目視検査

拡大して基板を検査し、ファインピッチ IC 上のはんだブリッジ、コールド ジョイント (滑らかで光沢のあるものではなく鈍くてザラザラしたもの)、部品の欠落または反転、目に見える痕跡の損傷がないか確認します。アセンブリの欠陥のかなりの部分は、機器が必要になる前に目に見えます。

ステップ 2: パワーレールの検証

全電力を投入する前に、各電源レールからグランドまでの抵抗をマルチメータで測定します。測定値が低いかゼロに近い場合は、ショートを示します。一般的な原因には、はんだブリッジ、コンデンサの損傷、または逆極性コンポーネントなどがあります。クリアしたら、予想消費量をわずかに上回る電流制限されたベンチ電源を介して電力を供給します。 荷重がかかるとレールが崩壊する 過負荷のレギュレータまたは短絡した下流コンポーネントを指します。

ステップ 3: 信号レベルの診断

レールが良好であることが確認されたら、オシロスコープを使用してクロック信号、リセットライン、および通信バスのアクティビティをチェックします。クロックの欠落、リセット ラインのスタック、または不正な SPI/I2C/UART 波形は、それぞれ特定の領域の障害を示しています。ロジック アナライザは、複数信号のデジタル バスの動作を時間の経過とともにキャプチャするには、オシロスコープよりも効率的です。

ステップ 4: コンポーネントレベルのテスト

信号トレースにより疑わしいコンポーネントが特定された場合は、回路内抵抗測定 (電源オフで) により、受動部品の接合部のオープンまたはショートを確認できます。 IC の場合、ピン電圧をデータシートの動作条件表と比較すると、デバイスが正しい電源、リファレンス、およびイネーブル信号を受信して​​いるかどうかがすぐに絞り込まれます。コンポーネントに欠陥があることが確認された場合、 正常な部品と交換してください 結論を出す前に、欠陥がある可能性のある同じバッチの別の部品で置き換えても何も解決しません。