PCB 製造では正しい設計ツールを使用して PCB レイアウト エラーを回避

PCB 製造では正しい設計ツールを使用して PCB レイアウト エラーを回避

プリント基板のレイアウトは難しくて骨の折れる作業です。他人に言わせないでください。 回路は、最高のパフォーマンスで動作するように厳密なルールに従って構造的に設計する必要があります。同時に、製造可能性を達成するために別の一連の設計ルールに従う必要があります。 小さくて「単純な」レイアウトであっても、独自の設計上の課題が生じる可能性があり、PCB レイアウト エンジニアは作業を完了するために最新のツールを装備する必要があります。

PCB 設計用の CAD ツールは、ソフトウェア エンジニアリングの奇跡です。 レイアウト設計者が作業を完了することができるように、さまざまな機能や機能を備えています。 これらは、ユーティリティから初期セットアップ レイアウトの設計、高度なトレース ルーティング エンジンに至るまで、回路図のすべてのネットワーク接続を完成させます。 これらのツールを最大限に活用するために、設計者は PCB レイアウトのすべてのニュアンス、特に適切に処理しないと問題を引き起こす可能性があるものを理解する必要があります。 これらは、設計者が注意を払うべきいくつかの一般的な PCB レイアウト エラーです。

設計の準備: PCB レイアウトの準備はできていますか?

新しいデザインのレイアウトの準備が整ったら、すぐにコンポーネントの配置とトラックの配線を開始するのが自然です。 これに関する問題は、通常、レイアウトを開始する前に多くの準備を行う必要があることです。 多くのデザイナーは「後で対処する」という罠に陥りますが、より大きな問題を修正する必要があることに気付きます。 以下は、いくつかの一般的な問題です。 それらを事前に解決しておけば、将来の多くのトラブルを回避できます。

古いまたは正しくないコンポーネント: 回路図コンポーネントに問題があることは珍しくありません。 以前の設計から回路をコピーしたり、ライブラリが最新でなかったり、実際には古いコンポーネントのコレクションを使用したりすると、最終的な結果は同じになります。 これらのコンポーネントは製造できない可能性があるため、再設計してパーツを更新する必要があります。 BOM のこのようなエラーをクリーンアップするか、ライブラリ サービスのパーツを使用すると、この問題を解決できます。

不適切な設計同期: 回路図データベースがレイアウトと完全に同期されていなくても、設計作業が開始されることがあります。 これには多くの説得力のある理由があり、その中で時間の節約が第 1 位にランクされますが、効果が低いことがよくあります。 同期の問題は後で修正する必要があり、回路全体の一部が破損する可能性があります。 ここでの教訓は、時間をかけて適切に作成し、レイアウトに多くの時間を費やすことです。

回路基板のレイヤ スタッキング構成: 周知のように、設計者は、レイヤ スタッキングが最終的に決定される前に、回路基板のレイアウトを開始します。 繰り返しますが、これは通常、時間を節約するためのものですが、これらの善意が裏目に出る可能性があります。 レイアウトの開始後、CAD システム内でレイヤーを移動するには時間がかかり、設計エラーが発生する可能性があります。 ただし、より大きな問題は、完成した配線をあるレイヤーから別のレイヤーに移動することが、回路基板の全体的なシグナル インテグリティに影響を与えるかどうかです。 これらの問題を修正するために、回路のいくつかの主要部分を再設計しなければならないことに気付くかもしれません。

設計パラメータ: レイアウトの開始前に PCB 設計 CAD システムを完全に設定しないと、設計エラーが発生することはありませんが、速度が低下する可能性があります。 色、メッシュ、およびその他の多くのパラメーターは、生産性の向上に役立つ作業環境を作成するように設計されており、開始する前にこれらのパラメーターを構成しなければ、自分自身を傷つけるだけです. これらの設定の多くは、テンプレートまたは readme ファイルで転送できるため、新しい設計を開始するときに非常に役立ちます。

この時点で、ボードはレイアウトを開始する準備ができています。 次に、コンポーネントの配置中に発生する可能性があるいくつかの一般的なエラーを調べます。

コンポーネント配置時の PCB レイアウト エラー

それに直面しよう。 非常に複雑かもしれませんが、PCB レイアウトも非常に興味深いものです。 画面上のコンポーネントを操作し、それらをメッシュ接続の輪ゴムでバインドすることは、解決できる最高かつ最も困難な問題の 1 つです。 ただし、ボードを配置する前の設定と同様に、予防策を講じないと、設計に多くの問題を引き起こす可能性のある潜在的な問題がいくつかあります。 ボードに配置する物理的なフットプリントに関連する潜在的な問題から始めましょう。

不適切なフットプリント: 設計で正しいコンポーネントを使用することの重要性について説明しましたが、これらのコンポーネントが不適切なフットプリントを使用すると、依然として問題が発生します。 技術的には、これは設計の同期中に検出されるはずですが、設計者は正しいカプセル化を使用していることを確認する必要があります。 PQFP を BGA の代わりに使用するか、コンデンサの極性を逆にするかに関係なく、そのようなエラーがすぐに見つからない場合は、再設計する必要があります。

計画を無視しないでください: 優れた信号と電力の完全性を確保するために、PCB 設計回路を慎重に分割して最高のパフォーマンスを実現する必要があります。 これは、1 ミリメートルあたりのスペースが重要な高密度設計の場合に特に当てはまります。 これを怠る設計者は、回路基板の性能を向上させるために、費用のかかる再設計が必要になる場合があります。 回路図を使用して論理グループのコンポーネントを配置したり、ボード上に配置部屋を指定したりすることは、ゾーニング エラーを防ぐのに非常に役立ちます。

DFM は不可欠です。回路基板の製造可能性を確保することは、設計における信号と電力の完全性と同じくらい重要です。 PCB 設計者は、レイアウトの製造可能性 (DFM) の規則に従って設計することが不可欠です。 これには、自動アセンブリ装置とテスト装置のコンポーネント間の最小間隔、および技術者が回路基板をデバッグおよび再加工するためのスペースが含まれます。 DFM エラーを排除するには、CAD ツールで設計ルールと制約を使用することが絶対に必要です。

PDN の設計を忘れないでください: 回路基板のレイアウトは良好なシグナル インテグリティを確保するために重要ですが、電力伝送ネットワーク (PDN) に注目することも同様に重要です。 電力コンポーネントをレイアウトするとき、設計者はノイズやその他の障害を設計に導入する努力を簡単に緩和できます。 優れた PDN 設計ガイドラインに従っていることを確認し、CAD システムのパワー インテグリティ ツールを使用してエラーをチェックします。

最後に、回路基板を配線できますが、警戒を緩めないでください。 注意しないと、設計にエラーが広がる可能性があります。

PCB レイアウトでの配線は、非常に意味のある作業です。 各ルーティングが完了すると、対応するネットワーク接続ガイドが削除されるため、さらに作業を完了することができます。 設計ミスは、達成しようとしている作業に損害を与える可能性があるため、広がりやすいため、設計者は警戒する必要があります。 注意すべき例をいくつか示します。

エスケープ配線: 表面実装デバイスは、ボードの他の層で相互接続するために、パッドからスルー ホールまでワイヤを配線する必要があります。 これはエスケープ ルーティングまたはファン アウト ルーティングと呼ばれ、ほとんどの SMT デバイスにとって非常に単純です。 ただし、間隔が狭いピン数の多いデバイスでは、より大きな課題が生じます。 設計者は、エスケープ ビアによって内層の配線チャネルを塞がないように注意する必要があります。 通常、チップ メーカーは製品データ シートで推奨されるケーブル接続ソリューションを公開しています。これは、ケーブル接続の混雑を回避するのに役立ちます。

制約管理: 今日の基板設計のさまざまな要件を考えると、レイアウト設計者は設計制約管理システムを十分に活用する必要があります。 これらのユーティリティを使用すると、ネットワークまたはネットワーク グループに必要な配線幅と間隔を構成し、コンポーネントにクリアランス ルールを割り当てることができます。 高速設計トポロジ、スルーホール タイプ、および電気的タイミング パラメータを設定することで、さらに先へ進むこともできます。 上の図では、ルーティング ルールの違反を防止するために設計制約管理システムで使用できるいくつかの設定を確認できます。

十分な配線スペースがありません。配線パターンが密集した回路基板を配線する場合、事前に配線の場所を計画することが非常に重要です。 これにより、ダブル データ レート (DDR) ルーティングに共通する高密度パターンに対応する十分なスペースが確保されます。 このような計画がなければ、ほとんどの回路基板を交換して再配線する必要があることに気付くかもしれません。 Cadence の Allegro PCB エディタなど、多くの CAD ツールには、このような計画タスクに役立つルーティング モードが用意されています。

基準面の欠如: 回路基板設計における信号速度の向上に伴い、PCB レイアウトに十分な基準面があることが不可欠です。 これらのプレーンがないと、高速伝送ラインやその他の影響を受けやすいネットワークに明確な信号リターン パスが存在しない可能性があります。 逆に、戻ってきた信号は回路基板上をさまよったり、他の信号と干渉したり、ノイズや EMI を生成したりして、設計のシグナル インテグリティを損なうことになります。 ノイズを制御するためにボードを再設計する必要があるため、これらのエラーは壊滅的なものになる可能性があります。

冒頭で述べたように、PCB レイアウトは複雑な作業になる可能性があり、これらの潜在的なエラーが影に隠れている場合は特にそうです。 幸いなことに、これらの問題の多くは、PCB 設計 CAD ツールの強力な機能を使用することで軽減できます。

ツールで解決

途中で多くの問題を解決できる PCB 設計ツールのさまざまな側面を強調してきましたが、ここではそのうちの 2 つに焦点を当てます。

制約管理: 前述のように、PCB 設計で設定された設計ルールと制約は、設計者が予期しないエラーを回避するのに役立ちます。 制約管理システムにより、コンポーネントクリアランスからスルーホールスクリーン印刷までのすべてのプロセスを制御できます。 たとえば、トレース幅を変更する特定の領域を作成できます。 これは、高密度コンポーネント (ファイン ピッチ BGA など) を配線する場合に非常に役立ちます。