Altium Designer - 回路・基板設計ソフトウェア

片面基板の設計の要点プリント基板は電子回路の配線手段として登場し、電子部品と歩調を合わせて進化してきました。 1960年代に入りトランジスタが使われるようになると、真空管時代の空中配線に変えてプリント基板が使われるようになりました。そしてその後 IC・LSI が現れ、その進化に合わせて基板の多層化が進みまました。その結果、現在のデジタル機器では当り前のように多層基板が使われるようになりました。片面基板はプリント基板の原型であり、今では時代遅れなものに見られがちです。しかしまだ役目を終えた訳ではなく、いたるところで使い続けられています。例えば、回路規模が小さく実装スペースに余裕がある家電製品などでは、さほど実装密度を上げる必要は無く、片面基板で充分な場合があります。そして、なによりも片面基板は安価ですので、今後も需要が途絶えるは無さそうです。そこで今回は、このシンプルな片面基板を取り上げ、設計上の要点を解説したいと思います。片面基板の特徴と課題片面基板では、ただ一つの銅箔面で全ての配線を完結しなくてはなりません。片面基板の設計ではこの事によって生じるさまざまな課題を解決しなくてはなりません。例えば、片面基板では配線を交差させる事はできません。またプリント基板は電子部品間の端子間を接続し回路を形成するという役割の他に、部品を固定するというもうひとつの役割がありますが、片面基板ではこの事に対する特別な配慮が必要になります。ストレスに耐えうる強度を得るために片面基板に於いても、両面基板と同等の精度でエッチングや穴加工を行う事ができます。しかし片面基板でよく使用される紙フェノール基板は、両面基板で使われるガラス基板ほどの強度は無く、熱に対しても敏感です。このため、精細な配線パターンを用いると断線の危険性が高まります。また、スルーホールが形成されませんので、片面に置かれたパッドだけで部品を保持しなくてはなりません。このため、大きなサイズのパッドを使って、穴加工後の箔残りを十分に確保しなくてはなりません。配線パターンの幅両面基板ではピン間3本の線幅基準である、0.14mm幅の配線パターンが当たり前のように使われます。しかし、紙フェノールの基材を使う片面基板では、強度が不十分な上に熱による収縮・膨張によって断線が起こりやすくなります。このため、片面基板ではピン間2本またはピン間1本の線幅基準である、0.2mm～0.3mm程度を最小線幅とします。この最小線幅は、基板のサイズや用途を考慮してケースバーケースで決める事が必要ですが、もし0.2mm以下の線幅で配線する場合には、ガラス基板を用いるのが一般的です。尤も、実際に片面基板が使用されている例を見てみると、1,27mm程度のグリッドを使って、0.5mm以上の線幅で配線されている場合が多いようです。片面基板のパットサイズ片面基板ではスルーホールが形成されない為、部品を半田面のパッドだけで支えなくてはならず、両面基板よりもパッドサイズを大きくしなくてはなりません。小型の抵抗やコンデンサ、ピン数の多いICなどでも、穴径に対して1.0mm以上大きいサイズのパッドを用いて、穴加工後の箔残りを0.5mm程度確保します。また重い部品や、バッテリーなどの保守性が求められる部品に対しては、穴径 +

LTE + GNSS Asset Tracker パート2 今回のブログは、LTE GNSS Asset Trackerプロジェクトの第2弾です。パート1では、プロジェクトに適したコンポーネントを特定し、回路を設計しました。パート2では、PCBのレイアウトと配線を行ってプロジェクトを完成させます。前回の記事で、高密度基板を作るため、この基板をできるだけ小さくするという目標を述べました。配線には6層が必要になるだろうと考えています。ただし、基板の全体的なサイズは、設計者の希望にかかわらず、最も大きいコンポーネントによって決まります。18650リチウムイオン電池ホルダーとLTEアンテナにより、この基板のフットプリントが定義されます。LTEアンテナには、スペースおよびレイアウトについて特有の要件があり、この要件と18650電池を組み合わせて長さが決まります。また、LTEアンテナのみで幅が決まります。プロジェクトはまだ比較的小さく、コンポーネントの配置に関する限り、予想されるサイズより大きいほど、エンジニアリングのトレードオフを少なくできます。レイアウトおよび配線に進む前に、繰り返しになりますが、この記事のパート1で述べた内容を振り返ります。このプロジェクトはオープンソースであり、ソフトウェアの変更または再頒布の要件が最小限のMITライセンスの下で使用できます。プロジェクトファイルは GitHubにあります。このプロジェクトのコンポーネントは、私のオープンソースの Altium Designer®コンポーネントライブラリである Celestial Altium Libraryにあります。このプロジェクトを基にしてご自分のプロジェクト/製品を新たに開発することも、必要に応じてプロジェクトの一部を使用することもできます。レイヤースタックこれをRF基板と仮定した場合、基板上に最初に設定するのはレイヤースタックです。RFトレース向けに適した小さいトラックを配置するには、少なくとも4層にする必要があります。このプロジェクトでは、 CC1125サブ1GHzトランシーバープロジェクトで使用したレイヤースタックと同じものを使用する予定です。レイヤースタックとインピーダンスのセットアップガイドは、そちらのプロジェクトの記事でご覧ください。このプロジェクトとサブ1Ghzプロジェクトとの違いは、今回は対称的なスタックアップを使用しない点です。最上位レイヤーの下にプレーン層が、最下位レイヤーの上に信号層があります。Altium Designerは、デフォルトでは対称スタックを使用するため、レイヤーのいずれかを変更すると、一致するレイヤーペアがプレーンまたは信号に変更されます。この機能を無効にするには、[Board]

GNSS + LTE Asset Tracker プロジェクトパート1 今週のプロジェクトでは、LTEベースのアセット追跡システムを構築します。このシステムは、盗難防止(および原状復帰)、配送または輸送車両の追跡の他、収集したデータを適切な機械学習サービスと組み合わせて使用した場合には予測保守まで、さまざまな用途で使用できます。これまでのプロジェクトはすべて、スペースに制約のない2層の基板でしたが、本当にコンパクトな高密度回路基板も構築してみたかったので、このプロジェクトではできるだけ小さな基板を構築することを目指します。やるべきことはたくさんあるので、まずは目標の設定と、部品の選択および回路図について検討し、続いてパート 2でPCBの設計とレイアウトに着目していきます。このようなプロジェクトにはさまざまな用途があります。バスや旅客車両に搭載すると、GNSSデータが運輸会社に報告され、位置情報の更新が可能になります。続いてその情報を使用して、次の便の到着予想時間を顧客に提供することができ、さらに規模を拡大して、スケジュール管理や停車時のタイミングデータを改善することができます。建設用ライトタワー、発電機の他、遠隔地に放置されることが多く、盗難の対象となりやすい設備など、高価な可動性資産にこのシステムが備えられていると、資産が予定外に移動されたときに警察や警備担当者による対応が可能になります。また、ジオフェンスとして設定されたエリア内から資産が出ないようにするためにも使用できます。資産の追跡は大きな目標ですが、素晴らしい機械学習ツールとクラウドベースのシステムが市販されており、保守スケジュールを最適化できるデバイスに接続したり、技術者の現地派遣要請をスタッフに自動的に警告したりすることができます。今回は、回路に基本的なCANバスICと加速度計を追加して、エンジン管理システムからデータを収集できるようにし、振動データを集めます(このような機械学習システムは首尾よく早期故障警告システムに転じます)。加速度計は、GNSS信号が弱くなったり妨害されたときに目標物が移動したかどうかを検出できるため、セキュリティに関するオプションをさらに可能にするという点でも役立ちます。経験豊富な泥棒は十二分にトラッカーのことを知っているので、トラッカーが動作できないようにバッテリーケーブルを切断することがあります。そこで今回は、メインバッテリーが切断された場合にシステムに電力を供給するリチウムポリマーバッテリーセルを1つ内蔵します。こうすることで、大型発電機が始動したり、バッテリーで電圧低下が生じるなどの状況(特に寒い日など)でも、デバイスの継続的な動作が保証されます。私はこのデバイスを、できるだけ小型化し、存在を気付かれないようにするつもりです。これまでに目にしてきた多くの市販の追跡システムは、高価でかさばり、設置に手間がかかる一方、泥棒が簡単に動作を停止させたり取り外したりできるものでした。このプロジェクトでは、低コストに抑えることを特に目指しているわけではありませんが、要件を満たして問題なく機能する最低価格のコンポーネントを使用するつもりです。いつものように、このプロジェクトは、変更や再配布の要件が最小のMITライセンスの下で、GitHubにある他のすべてのプロジェクトと一緒に保存されています。MITライセンスの下では基本的に、読者の皆様は、エラーの可能性およびいかなる問題も私またはAltiumが責任を負わないことを認識している限り、断片的なコピーからそのままでの大量生産まで、この設計を自由に使用することができます。このプロジェクトのコンポーネントはすべて、私のオープンソースの Altium Designer®ライブラリである Celestial Altium Libraryに由来しています。そのため、このプロジェクトの一部をご自分の設計にすぐに再利用できます。コンポーネントの選択「高価な」コンポーネントについて検討する前に申し上げておきたいのですが、私はこれをできるだけ小さく設計しているので、パッシブコンポーネントには可能な限り0201(インチ)サイズの部品を使用しています。可能であれば01005(インチ)を使用したいところですが、プロトタイプを提供するのが大変なため、今回はより大きな0201を使用します。これを使えば、ペーストステンシル、ピンセット、リフロー炉のみでプロトタイプを作ることができます。このプロジェクトは、01005サイズの部品でさらに小さくなる可能性があります。セルラー/LTEモジュール LTEモジュールの要件はかなりシンプルですが、通常使用するオプションの多くを除外しています。これはサンプルプロジェクトであるため、モジュールはすべての国で使用が認められているか、異なる地域用のバリアントがある必要があります。これに加えて、主要なコンポーネント販売代理店で入手できるモジュールを使用したいと考えているため、これらのトラッカーのいずれかを構築する場合に、サプライヤーを探す必要はありません。さらに具体的には、認定済みモジュールを探しています。認定済みモジュールを正しく使用すると、完成した基板が、事前に認定された意図的な放熱器を含む偶発的な放熱器として認められます。そうすれば、この基板を小型化し、意図的な放熱器として認定されるために比較的高額な費用をかけずに認定を受けることができます。過去5年間で、主要な販売代理店で入手可能なセルラーモジュールの数と在庫水準は大幅に上昇しています。10年前には、入手可能な種類にかかわらず、グローバルに使用できるセルラーモジュールを、特に低価格で大手サプライヤー(MouserやDigi-Keyなど)で見つけることは、非常に難しかったかもしれません。モノのインターネットの盛り上がりとともに、私が設計しているようなデバイス(LTE帯域が特にLTE

プロトタイプPCBアセンブリ(PCBA)のリスクを取り除く Rev Aの設計を磨き上げ、初めてのPCBを基板製造業者に発注するときに感じる特別な感覚があります。デザイナーたちはおそらくその感覚と引き換えに何も望まないでしょうが、不安を少しでも和らげることができれば、それは歓迎される変化になるでしょう。ここには、仕事後のバーへの訪問よりも神経を落ち着かせるのに効果的であり、エラーを防ぐのに無限に効果的なレビューステップがあります。製造とPCB組立(PCBA)サービスを発注する準備ができたときに、ターンアラウンドタイムを短縮するためにできることがいくつかあります。サプライチェーンに入り、DFM/DFAを早期に確実にすることが重要であり、開発中にこれらの点を真剣に受け止めることで、設計レビュータイムと組立/製造時間を短縮できます。これらの点に注意を払うことで、PCBAの不必要な再設計もいくつか排除できます。部品がなければ、基板もなし。かつて時折イライラする忍耐と計画の教訓であったサプライチェーン管理は、プロトタイプレベルでも重要な設計パラメーターとなっています。数百万ドルの開発プロジェクトが、たった10個の微細なマイクロコントローラーが見つからずに1週間遅れることほど悪いことはありません。これらのマイクロコントローラーの価値は1つ2ドルに過ぎません。 PCBA用の一般的な受動部品、ダイオード/LED、または一般的なICは、交換が容易であり、おそらく大きなPCBレイアウトの変更を必要としないでしょう。利用できないマイクロコントローラー、FPGA、特殊SoC、その他の特殊コンポーネントのようなものは、PCBAのほぼ全面的な再設計を強いる可能性があります。製造のために注文を出す前に、早期にコンポーネントの入手可能性とリードタイムを常に確認するべきです。設計ツールの検索機能は、ここで大きな役割を果たし、PCBを製造する前に、調達データやコンポーネントのシンボル/フットプリントを見つけるのに役立ちます。これを軽減する最良の方法は、回路図が完成したらすぐにすべての部品のプロトタイプ数量を注文することです。確かに、誰もが不足時にスマウグが「一枚のコイン」でさえ手放すことを拒むように部品の山を欲しがる収集家になりたいとは思いませんが、私たちが話しているのはほんの一握りの部品です。ボードが組み立てられる時点で設計から外された部品の4分の1を無駄にする失望は、ファームウェアエンジニアがハードウェアがないときに時間を無駄にすることを知ることと比べものになりません。迅速なメモ：各部品の MSL（湿度感受性レベル）の評価を確認することも重要です。契約メーカーは、SMTリフローのためにボードに部品を配置する前に部品を焼く必要があるかもしれません。供給チェーンを早期に見ることで、PCB組立（PCBA）の生産時間を短縮します。デザインレビューは楽しい！ほとんどのエンジニアは、デザインレビューについて2つのことを認識しています：それらはRev Aリリースに必要であり、レビューを完了することは、同僚に大きなお願いをすることができます。しかし、レビュアーにとって余分な苦労を伴う必要はありません。何事も、お金と競争を加えることでより楽しいものにすることができます！例えば、デザイナーは見つかったミスに対してレビュアーに支払う必要があるかもしれません。ボードのリビジョンを引き起こす可能性がある重大なミスについては1つにつき20ドル、重大でないミスについては2ドルが妥当でしょう。デザイナーが残ったものを保持できるように、会社に200ドルの予算を出してもらい、デザインの卓越性を奨励し、健全な競争を促進することもできます。設計レビューチェックリストを完了させるには、サードパーティプログラムでガーバーファイルを確認することが欠かせません。これは、基板製造業者がファイルを検査するのと同等の作業です。99.99%のエラーは設計および/または構成のエラーですが、すべてのeCADパッケージが何らかのエラーを出したことがあるため、5分間のチェックは価値があります。例えば、 GerbVは無料のオープンソースツールで、設計者が各レイヤーを個別に、そして一緒に、設計エラーやCAM出力エラーから生じる可能性のある不審な点を確認することを可能にします。ペーパードール PCBA設計の究極の目標がコンピュータから離れて実世界で何かを構築することであることを思い出して、機械的な部分をダブルチェックする簡単で迅速な方法があります：ペーパードールです！Tara Dunnが

Customer Success Stories MBARI Discover how Altium Designer + Altium 365 are helping power groundbreaking research on climate change and fostering a deeper understanding of our ecosystem with the Monterey Bay Aquarium Research Institute.