高品質の回路基板はどのように設計されていますか? あのね？

実際、各電子製品は 1 つまたは複数のプリント回路基板 (PCB) で構成されています。 PCB は IC と他のコンポーネントを固定し、それらの間の相互接続を実現します。携帯電子機器、コンピュータ、および娯楽機器用に多数の PCB が作成されています。また、試験装置、製造、宇宙船にも使用されます。最後に、ほとんどすべての EE は PCB を設計する必要がありますが、これは学校では教えられません。ただし、エンジニア、技術者、および初心者の PCB 設計者でさえ、あらゆる目的のために高品質の PCB 設計を作成でき、その結果が目標を満たしているか、それを上回っていると確信しています。同様に、これらの設計は、設計要件を満たしながら、スケジュールどおりに予算内で完了することができます。設計者は、必要なドキュメント、PCB 設計の手順と戦略、および最終チェックを検討する必要があります。

基本的な設計プロセス

理想的な PCB 設計は、要件分析から始まり、最終納品まで続きます。プロジェクトを取得した後、設計された機能、PCB が備えなければならない機能、他の回路との相互接続、レイアウト、おおよその最終サイズを含む、PCB 要件分析を決定する必要があります。作業環境に関連する周囲温度範囲と問題に対処し、PCB 用に選択された材料を指定するために使用する必要があります。コンポーネントと PCB 材料を選択するときは、PCB が耐用年数中に正常に機能することを保証するために、予見可能で潜在的なすべての脅威に注意を払う必要があります。回路図は、回路図に従って描かれています。この詳細図は、PCB の各機能の電気的実装を示しています。回路図を描いた後、最終的な PCB レイアウトを完成させ、各回路の回路図ブロックの領域を指定する必要があります。

PCB設計プロセス

部品表

部品表 (BOM) は、回路図の作成と同時に生成する必要があります。許容基準を考慮しながら、回路内のコンポーネントは、回路の各ノードの制限動作電圧と電流レベルを分析して選択する必要があります。電気的に満足できるコンポーネントを選択した後、入手可能性、予算、およびサイズに基づいて各コンポーネントを再検討する必要があります。 BOM は常に回路図と同期している必要があります。 BOM には、数量、参照コード、値 (オーム、ファラッドなど)、製造元の部品番号、および各コンポーネントの PCB 床面積が必要です。これらの 5 つの要件は、各部品に必要な量を定義し、購入と交換に使用される各回路要素を正確に説明しながら識別と回路の場所を説明し、面積の見積もりに使用される各部品のサイズを説明するため、非常に重要です。各回路要素を説明する簡潔なリストである必要があり、情報が多すぎると、ライブラリの開発と管理が複雑になりすぎる可能性があります。

PCBファイル

pcb ファイルには、ハードウェア寸法図、回路図、BOM、レイアウトファイル、コンポーネント配置ファイル、アセンブリ図と説明、およびガーバーファイルセットが含まれます。ガーバーファイルセットは、PCB メーカーが PCB レイアウト出力ファイルを作成するために使用する PCB 用語です。完全なガーバーファイルには、回路基板レイアウトファイルから生成された出力ファイルが含まれます。組立図、穴あけファイル、穴あけ加工図、FAB外形図（サイズ、特殊機能）、グリッドファイル。 FAB 輪郭に含まれる特別な機能には、ノッチ、ノッチ、ベベル、バックフィルパッド (BGA タイプの IC パッケージの場合、その下に複数のピンがあります)、ブラインドホール/埋め込みホールスルーホール、表面仕上げ、およびレベリング、穴公差、レイヤーなど

high quality circuit boards

回路図の詳細

回路図はプロジェクトを制御するため、成功には正確さと完全性が重要です。それらには、回路の正しい動作に必要な情報が含まれています。回路図には、ピン番号、名前、コンポーネントの値、および定格など、十分な設計の詳細が含まれている必要があります。

各回路図記号には、価格と仕様を決定するメーカーの部品番号があります。パッケージ仕様は、各コンポーネントのパッケージサイズを決定します。最初のステップでは、使用可能な領域と溶接方法に従って、各ピンの裸の銅が正しい位置に配置され、アセンブリピンよりわずかに大きい (3 ～ 20 ミル) ことを確認します。 PCB パッケージを設計するときは、組み立てを考慮し、メーカーが推奨する PCB パッケージに従ってください。一部のコンポーネントはマイクロカプセル化されているため、余分な銅の許容量はありません。このような場合でも、プレートの各ピン間に 2.5 ～ 3 ミルの電極を適用する必要があります。 10の法則に従ってください。小さなスルーホールの最終穴径は10milで、10milのパッドリングもあります。配線は、プレートの端から 10mil 以上離す必要があります。ワイヤ間隔は 10 ミルです (5 ミルのエアギャップ、5 ミルのワイヤ幅、1 オンスの銅線)。直径 40 ミル以上のスルーホールには、信頼性を向上させるためにパッドリングを設ける必要があります。プレーンからピンまでの外側の銅プレーンについては、デザインルールを超えて 15 ～ 25 ミルの追加のクリアランスを設定する必要があります。これにより、すべてのはんだ接合部でブリッジが発生するリスクが軽減されます。

コンポーネントの配置

次のステップは、コンポーネントを配置し、熱管理、機能的および電気的ノイズ要因に基づいて配置することです。コンポーネントの輪郭と相互接続位置を割り当てた後、最初のコンポーネント配置ステップが開始されます。各コンポーネントを配置した直後に、配置のレビューを実施し、配線を容易にしてパフォーマンスを最適化するために調整を行う必要があります。レイアウトとパッケージの寸法は通常、サイズとコストに基づいてこの時点で再検討および変更されます。 10 mW を超える電流を吸収する、または 10 mA を超える電流を伝導するコンポーネントは、他の熱および電気的要因を考慮に入れるのに十分強力であると見なされます。敏感な信号はノイズ源からプレーンで分離し、インピーダンスを制御する必要があります。電源管理コンポーネントは、熱の流れのためにグランドプレーンまたは電源プレーンを利用する必要があります。許容可能な接続電圧降下に従って、大電流接続を行ってください。大電流経路の層変換では、層変換ごとに 2 ～ 4 個のスルーホールを使用し、層変換には複数のスルーホールを配置して、信頼性を向上させ、抵抗損失とインダクタンス損失を低減し、熱伝導率を向上させます。

放熱問題

IC によって生成された熱は、デバイスから PCB の銅層に伝達されます。理想的な熱設計とは、回路基板全体の温度を同じにすることです。銅の厚さ、層の数、熱経路の連続性、および回路基板の面積は、コンポーネントの動作温度に直接影響します。

PCB設計の熱放散

動作温度を簡単に下げるには、複数のビアを介して熱源に直接接続された複数の層を持つベタグランドまたは電源層を使用します。効果的な熱伝導により、熱源からPCBボード全体に熱が均等に分散されるため、温度が大幅に低下します。

PCB熱伝導

（効果的な熱伝導により、熱源からPCB表面に熱が均等に分散されます）

均一な熱分布の場合、次の式を使用して表面温度を推定できます。

P=(熱対流) x 面積 x（ Δ T）

説明：

P=ボードの消費電力

面積＝基板（X軸×Y軸）

Δ T=表面温度 – 周囲温度

熱対流=環境条件に基づく対流定数

トリマーの配置

要素は、次の順序で配置する必要があります: コネクタ、電源回路、高感度回路と精密回路、重要な回路要素、そして順番に配置されます。回路図は、PCB の各部分を中心に構築され、完全に相互接続されています。回路のルーティングの優先順位は、電力レベル、ノイズ感度、または生成およびルーティング機能に従って選択されます。

一般に、配線幅は 10 ～ 20 mil で、10 ～ 20 mA の配線を運ぶために使用され、配線幅は 5 ～ 8 mil で、10 mA 未満の電流を運ぶために使用されます。高インピーダンスノードと配線する場合は、高周波 (3 MHz 以上) および高速で変化する信号を慎重に検討する必要があります。

設計者はレイアウトをチェックし、すべての設計制約に対して回路が最適化されるまで、物理的な位置と配線経路を繰り返し調整する必要があります。レイヤーの数は、電力レベルと複雑さによって異なります。銅被覆がこのように作られているため、層のペアが追加されます。電源信号とプレーンの配線、接地方式、および回路基板を期待どおりに使用できるかどうかが動作に影響します。

最終検査には、敏感なノードと回路がノイズ源を正しくシールドしているかどうか、ピンとビアの間にはんだマスクがあるかどうか、シルクスクリーンが明確で簡潔かどうかの検証が含まれます。層の積層を決定するときは、コンポーネント面の下の最初の内層をグランドとして使用し、電源プレーンを他の層に割り当てます。スタックは、ボードが Z 軸の中点に対してバランスがとれるように作成されます。

レビュープロセスで pcb 設計者が遭遇した問題を考慮し、レビューによって生成されたフィードバックに従って pcb を修正します。変更リストは、ボードが最終決定されるまで、各監査反復中に作成および検証されます。デザインルールチェッカー (DRC) を使用して、レイアウトのすべての段階でデザインにエラーがないようにします。 DRC は監視するようにプログラムされたエラーのみをキャプチャでき、DRC ルールセットは通常、個々の設計に基づいて変更されます。少なくとも、デザインルールチェックでは、パッケージ間の間隔、接続されていないネットワーク (回路内の各ノードの名前を特定)、短絡したネットワーク、エアギャップがあるかどうか、ビアがパッドに近すぎるかどうか、ビアがあるかどうかをカバーする必要があります。互いに近すぎて、垂直方向のギャップに違反しています。

他の多くの重要な DRC ルールを設定して、堅牢な設計を確保することができます。これらを検討して理解する必要があります。たとえば、5mil 以上のクリアランスを維持します。スルーホールは、表面実装パッドに配置してはなりません (埋め戻されない限り)。さらに、溶接抵抗層は、すべての溶接点の間に配置する必要があります。

コストは通常、PCB 設計の背後にある要因であるため、PCB 製造におけるコスト増加要因を理解する必要があります。典型的な PCB 基板は 2 ～ 4 層で、直径 10mil 未満のドリル穴はなく、最小エアギャップと配線幅は 5mil です。標準 FR-4 の厚さも 0.062 インチで、銅箔の重量は 1 オンスです。追加の層、極厚または極薄のプレート、パッド内のビア、バックフィルビア (導電率の制限と熱膨張の違いにより非導電性が望ましい)、ブラインドホール/埋め込み穴、および納期はすべて総コストを増加させます。

PCB 設計の開始時に、メーカーの能力を理解する必要があります。マニュファクチャビリティ pcb を設計する場合、IC メーカーは通常、機能とコスト削減技術について定期的に連絡を受けます。

まとめ

PCB 設計は非常に複雑かもしれませんが、ある程度のスキルと実践によって、高品質の回路基板を設計できます。