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PCBの実装図を作成して設計の意図を明確に伝える PCBの実装図を作成して設計の意図を明確に伝える 1 min Thought Leadership 「一部、組み立てが必要です」この文言は、買ったばかりのものに心を躍らせていた人を恐怖に陥れます。実は、私にもそんな経験があります。それは、子どもたちへのクリスマスプレゼントとして購入したサッカーのテーブルゲームでした。サイズが大きかったために、私はゲームを箱に入れ、クリスマスイブの夜遅くまでガレージに隠しておきました。「それほど難しくはないはずだ」そう高を括った私は、子どもたちがベッドに入ってから、テーブルゲームを組み立て始めました。何杯ものカフェインを摂取し、指の節に痣を作り、部品を失くし、私を「行儀の悪い人リスト」に載せてしまうようないくつかの罵りを口にしながら、夜が明ける直前になってようやくベッドに入りました。クリスマスの朝の家族写真には、テーブルゲームで楽しそうに遊ぶ子どもたちと、もう1杯のカフェインにしがみつくゾンビのような父親が写っていました。 組み立てが必要になるものはたくさんありますが、PCBの世界では実装が必ず必要になります。設計者は部品の配置やトレースの配線中に、実装について常に考えているわけではありません。ただし単純な事実は、設計者が設計したものを誰かが実装しなければならないということです。そこで必要になるのが、製造業者に基板の実装方法を伝えるための実装図です。 これまでに実装図を作成したことがない場合は、この投稿を入門として活用できます。ご安心ください。これは分厚いマニュアルではありませんし、幼稚園に通う私の子どものお絵描きのような設計の見取り図も含まれていません。ここで必要になるのは、実装図のさまざまな要素のほか、PCBのレイアウトツールが実装図の作成にどう役立つのかについて理解することだけです。一番よいところは、ここに含まれる情報が読んでいただくものであり、実際の実装は必要ないという点です。 PCBの実装図には、部品の外形やデジグネータなどの要素が記載される PCB実装図の項目 連携する製造業者にとって使いやすく正確なものにするために、実装図は複数の形態で作成できます。設計中はPCBが実際にどのようになるのかについて、必ず実装図で製造業者に伝えるようにします。自分が連携している製造業者に留意することは重要ですが、大半の実装図に共通する下記の基本的な要素を理解しておく必要があります。 実装図の形式: CADシステムには、図面の形式が自動的に生成されるものと、個別のライブラリーの形状として図面を手動で作成する必要があるものがあります。いずれを使用する場合も、形式と設計データベースを組み合わせて実装図を作成することになります。 基板外形: 製造図と同様に、基板外形を表示します。基板のサイズに応じ、画像を縮尺して実装図の形式に合わせたり、画像を拡大して詳細を表示したりすることができます。 部品の形状: 基板外形内には、基板に半田付けされるすべての部品の形状とそれらのデジグネータを含めます。 機械部品: 取り付け工具を使って基板に配置する機械部品も表示します。こうした部品は標準的なPCBフットプリントではないかもしれませんが、形状を個別に追加または描画しなければならないことがあります。機械部品の例としてはejector handleが挙げられます。これは電気部品ではないため、回路図に表示されない場合もありますが、実装図と 部品表には含める必要があります。 実装の注記: 基本的な実装の詳細、業界の標準や仕様に関する参照、特別な要素の位置が記載される指示の一覧です。 識別ラベルの位置: バーコードや実装タグなどの識別ラベルは、実装の注記に含まれる特定のラベルへの参照や描画ポインターを使って含めます。 記事を読む
PCB設計のレシピに従う: PCBの製造図 PCB設計のレシピに従う: PCBの製造図 1 min Thought Leadership 数年前、私は妻の誕生日にクレームブリュレを作りました。妻は呆然としていました。なにしろ、その時の私にできた料理といえば、ゆで卵と焦げたトーストくらいだったからです。実際に作ってみる前にはいくらか時間をかけて、わかりやすい作り方が書かれたレシピを手に入れました。そのレシピを手にひとつひとつの工程を進み、その日のヒーローになるために調理しました。 後になって考えてみると、失敗しても失うものはそれほどありませんでした。がっかりはするかもしれませんが、クレームブリュレがなくてもお祝いはできるのですから。PCB製造の世界ではそうはいかず、はるかに多くの危険が潜んでいます。不適切な基板はコストを跳ね上げるどころか、設計者の職まで危険にさらされる恐れがあります。基板が自分の手から離れたら、後は製造業者を信じるしかありません。無条件に信用したくないのなら、製造図に明確な指示を記載して、製造を成功させるようにしなければなりません。 不完全な製造図は、製造プロセスを遅らせるだけでなく、基板の製造を取り消す原因にもなります。基本的な材料がないと料理が始まらないように、製造図もに基本的な材料が必要です。設計している基板に独自の要素を追加するのはその後です。優秀な料理人が調理道具を巧みに使って絶品を作るように、基板の設計でCADツールを使って作業を進める方法をご紹介します。手遅れになることがないよう、オーブンを開けて、料理がどうなっているのか確かめてみましょう。 製造ラインから実装に送られるPCB PCBの実装図：基本的な材料 クレームブリュレの基本的な材料は卵、クリーム、砂糖だけですが、製造図に含める基本的な指示も必要なものだけに減らすことができます。製造図を使って直接伝える必要のある最も重要な指示は下記のとおりです。 基板外形: 製造業者が製造する必要のある、長穴やカットアウトなどの要素を含むPCBの外形です。ただし、これは基板の実装図ではないため、長穴やカットアウトを使用する機械的な要素を含める必要はありません。 ドリル穴の位置: 基板のすべてのドリル穴は、独自のシンボルを使って、基板外形の中に示す必要があります。製造業者は設計者が送ったドリル用ファイルを使って実際の穴の位置を確認するものの、ここではドリルシンボルを参照用に含めます。 ドリル図: 「ドリルスケジュール」とも呼ばれるこの図では、穴の完成サイズと数量にそれぞれのドリルシンボルを追加します。これにより、製造業者は製造図に含まれる穴のサイズを簡単に把握できるようになります。 寸法線: 製造図には寸法線を追加し、基板の全体的な長さと幅を示したほうがよいでしょう。また、すべての長穴、カットアウト、その他の固有の基板外形の位置やサイズについても寸法線を含めます。 レイヤースタックアップの図: これは実際の レイヤースタックアップが表示される基板の側面図です。ここでは、基板のレイヤーの構成や幅のほか、レイヤー間のプリプレグやコアを詳細に示すためにポインターを使用します。 製造の注記: これは、製造図に文章で記載する実際の製造指示です。ここには、基本的な製造指示、業界標準や仕様の参照、特別な要素の位置などを記載します。 製造の識別情報 記事を読む
高速設計技術：ルーティング長さのマッチングのためのトレースチューニング 高速設計技術：ルーティング長さのマッチングのためのトレースチューニング 1 min Thought Leadership 初めて誰かが「チューニング」という言葉を使って高速設計技術について話しているのを聞いた時、中学時代のバンドの記憶が蘇りました。当時の「チューニング」とは、経験が乏しく、古くて疲れた楽器を使う子供たちを何とかまとまりのあるものにしようとすることでした。予想通り、最初のチューニングの試みはあまり成功しませんでした。しかし、信号の整合性、グラウンドプレーン、高周波について学ぶことで、私たちは一緒に調和を保つことができるようになり、本物のバンドのように聞こえ始めました。 バンドがチューニングするのは、各楽器がバンド内の他の楽器と同期するためです。全員がコンサートBフラットを演奏するとき、それはすべて同じ音に聞こえるべきです。一方、バンドがチューニングを外すと、異なる楽器が互いに対立する音を聞くのは実際に耳が痛いことがあります。 バンドのように、高速回路基板も「チューニング」が必要です。意図した機能を果たすために、特定の長さに「チューニング」された高速ネットが必要です。PCB上でのトレースチューニングが何であるか、そしてそれを最適に実行するためのいくつかのアイデアについて見ていきましょう。 トレースチューニングとは何ですか？ PCBブレッドボードのトレースチューニングとは、特定の全体のトレース長を達成するために、下の写真に示されているような蛇行トレースルーティングマップパターンを作成することです。このトレース長は、信号が同時に目的地に到着するように、他のトレースの長さと一致させる必要があります。 トレース長の一致は、信号を同期させるために、データおよびクロックルーティングで重要です。 トレースの長さを一致させるためにチューニングを始めた当初、それは何よりも推測ゲームでした。私たちは一致させる必要がある一般的な長さしか持っておらず、画面上のトレースを視覚的に比較して近いかどうかを確認することさえありました。現在では、トレース長レポートジェネレーターやルーティング中にリアルタイムでトレース長を報告する機能を使用して、正確なトレース長を見つけることができます。また、トレース長のルール制約や自動チューニング機能を使用して支援することもできます。 PCB設計におけるトレース長一致のためのトレースチューニングの異なるタイプ 上の写真では、セルペンタイン・トレース・チューニングの例を見ることができます。このチューニングは、アコーディオンパターンでタイトに、またはトロンボーンパターンで長く伸ばして行うことができます。高速PCBレイアウトの専門家は、 大きなトロンボーンパターンでエリアを埋め尽くし、後でチューニングするためのスペースを残すようにルーティングすることを推奨しています。準備ができたら、トロンボーンルーティングをよりタイトなアコーディオンパターンで微調整し、必要な正確なトレース長を得ます。また、アコーディオンパターンの波に45度の角を使用し、波をトレース幅の最小3倍の距離で配置するべきです。 個々のネットを他のネットにチューニングするのと同じように、差動ペアの2つのネットの長さも合わせるべきです。ペアをできるだけ一緒にルーティングし、長さが合わない端にトレース長の波を入れます。インピーダンスの長さをマッチングする際には、ビアや穴などの障害物の周りで2つのトレースを一緒にルーティングすることが重要です。これらの障害物の周りをルーティングする際にペアを分割しないでください。差動ペアは、他の差動ペアとも長さを合わせる必要があります。 トレースチューニング機能はあなたを助けます プリント基板設計ツールには、ルーティングやトレースチューニングに役立つ多くの 機能があります。まず、高速ルーティング制約でトレース長のルールを設定できます。これらのルールにより、ルーティングが正しい長さで作成され、他のネットと適切にマッチすることが保証されます。また、手動で波を作成する必要がないように、正しい長さにチューニングパターンを自動的にルーティングするプロセスも使用できます。これらのユーティリティは、トレース幅やアコーディオン波形パターンの高さと間隔を制御するために必要なコントロールを提供します。最後に、差動ペアルーターを使用して、ペア内の2つのトレースの長さを合わせることもできます。 PCB設計ソフトウェア、例えば Altium Designer®には、ルーティングとトレースチューニングのための 高速設計機能が組み込まれています。これにより、プリント基板の高速トレースを実際の長さを推測することなく正しい長さにルーティングすることができます。このようなサポートがあれば、より少ない時間とより大きな信頼を持って、高速対応の設計を作成できます。 Altium Designerがあなたのハイスピード設計のニーズにどのように役立つか、もっと知りたいですか？ 記事を読む
高速PCB設計：シグナルパス 高速PCB設計入門：シグナルパス 1 min Thought Leadership 直行便がなくても、航空旅行の計画を立てたことはありますか？私はありますが、おそらくすでにご存知の通り、それは問題ではありません。私は航空会社のウェブサイト上の旅行プランナーを使用し、旅行のすべての詳細を計算してもらいます。私がすることは、出発地と目的地を入力するだけで、プランナーが私の行程を決定してくれます—乗り継ぎに十分な時間を確保して。 もし、すべての旅行計画を自分自身で行わなければならなかったら、どれだけの時間がかかるか想像できますか？異なる航空会社、フライト、出発と到着の時間を調査し、そのすべての情報をまとめて最適なルートを計算しなければなりません。 複数の乗り継ぎ便が必要な航空旅行は、プリント基板上の信号経路と非常に似ています。信号経路には始点と終点があり、その間にはいくつかの接続があります、まさに航空旅行のように。そして、行程をタイミングする必要があるように、PCB上で信号経路をルーティングしようとすると、すべての個々のネットの長さとパラメータを決定する必要があります—少なくとも時間がかかる提案です。 幸いなことに、PCBレイアウトソフトウェアツールを使用して、航空会社のウェブサイトが旅行計画ツールを使用して旅行を設定するのと同じ方法で信号経路を管理できます。信号経路と、今日のPCBレイアウトソフトウェアツールがそれらを扱うのにどのように役立つかを見てみましょう。私はあなたを何かのエキゾチックな砂漠の島へのトラブルフリーの旅を約束することはできませんが、次の高速PCB設計で信号経路をどのように扱うことができるかについてのより良い理解を約束できます。 信号経路とは何か？ 信号経路とは、信号がその起源から複数のコンポーネントとネットを通って目的地までたどる経路のことです。例えば、インライン終端抵抗器を持つ二つの部品間の 単純な伝送線を考えてみましょう。最初のネットはドライバーピンを抵抗器の一方の端に接続し、二番目のネットは抵抗器の他方の端をレシーバーピンに接続します。CADシステムではこれは二つの異なるネットですが、高速設計の目的では、これら二つのネットは一つの信号経路を形成します。 高速PCBを設計する際には、トレースの幅やボードレイヤースタックアップの指定方法を通じて インピーダンスを制御することができます。また、トレースルーティングの長さを制御し、 そのトレースの長さを他のトレースと一致させることもできます。高速PCB設計スキルを発展させる次のステップは、信号経路のルーティングです。制御されたインピーダンスと一致したトレースの長さをルーティングする必要があるだけでなく、個々のネットではなく、全体の信号経路に対してそれを行う必要があります。幸いなことに、今日使用されているCADツールは、信号経路のルーティングに多くの助けを提供してくれます。 ルーティングのための信号経路の設定 信号の整合性を維持する信号経路を構成するには、CADツールで信号経路クラスを作成し、適切なネットをそのクラスに割り当てます。ネットを信号経路クラスに割り当てる際、手動で割り当てることもできますし、ソフトウェアにこのオプションがある場合は、CADツールが指定したドライバーとレシーバーに基づいてネットを自動的に割り当てることもできます。ネットを手動または自動で割り当てる場合でも、正しい順序になっていることを確認する必要があります。これは、信号経路ネットのルーティングトポロジーが正しい順序であることが重要です。多くの設計者は、信号クラスのネットを自動的に割り当て、必要に応じて手動で順序を再調整します。 ネットが信号経路クラスに割り当てられると、信号経路クラスの他のパラメータを指定することができます。これらのパラメータには、許可されるルーティングの最大および最小長さ、使用できるビアの最大および最小量が含まれます。 高速PCB設計における信号経路のメリット 定義された信号経路を使用することで、高速PCB設計に大きな利益をもたらします。最適な接続順序のための信号経路トポロジを指定し、個々のネットではなく、信号経路全体に対してトレース長の制約を使用してルーティングし、その信号経路の長さを他の信号経路の長さとも一致させることができます。 過去には、PCB設計者はルーティング中にネットの長さを個別に追跡しなければなりませんでした。その後、望ましい信号経路の長さをどれだけ長くまたは短くするかを知るために、それらの長さを手動でまとめなければなりませんでした。今日のCADツールで信号経路が定義されているため、ルーティング中にリアルタイムで長さの報告とチェックが可能になりました。ネットは接続目的で個々のネットとして扱われますが、信号経路内のすべてのネットは長さと他の高速パラメーターで一緒に計算されます。航空会社があなたの旅程を整理するのを許可するように、レイアウトツールで信号経路を使用することは、高速ルーティングを整理することでボード全体のスムーズな移動を保証するのに役立ちます。 PCB設計ソフトウェア、例えば Altium Designerには、信号経路を定義し、ルーティングするための高度な機能が組み込まれています。 xSignals機能を使用すると、信号経路を構成する個々のネットを定義し、管理することができます。xSignalsとAltium 記事を読む
マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール 1 min Thought Leadership PCB設計者 システムエンジニア/アーキテクト PCB設計者 PCB設計者 システムエンジニア/アーキテクト システムエンジニア/アーキテクト 楽しい時間は早く過ぎると人は言います。私がマルチボードPCBを設計しているときに、時間がなかなか過ぎないように感じるのはそのせいかもしれません。 EMIの回避、 すべての正しい接地、 静電放電の軽減、 配線の最適化などを考えると、単一基板の設計でさえ大変なのに、物理的にも電気的にもすべてを適合させなければならないPCBシステムの設計となると、苦痛の限界が試されているように感じるときもあります。ところが幸いなことに、マルチボードの回路図の作成を懲罰から楽しみに変えてくれるツールが登場しています。このツールには基板間の接続、MCADインテグレーション、モジュールの組織化という 全般的なPCB設計に役立つ3つの機能がありますが、これらは特にマルチボードのPCBに有用です。まず、基板間のルールチェックは悪夢のような作業になるばかりでなく、基板を台無しにしてしまう可能性もあります。ところが、このツールを使用すると、異なる基板全体でのトレースの接続が単純化され、土壇場の変更があったときにも大いに役立ちます。次に、インタラクティブなモデルによって煩わしいクリアランスチェックが容易になり、すべてを整合させて筐体に収めることができます。最後に、モジュールの組織化では、過去に設計した基板やコネクターを使って、新しい回路を作成できます。 MCADとの統合 使っているプログラムに3Dモデリングツールを組み込んだところで大したことはないようにも思えますが、実際には設計プロセスに大きな違いをもたらすことができます。PCBのモデリングにMCADを使用することで、巨額なコストにつながるミスを回避できるほか、試作や製造に基板を安心して送れるようにもなります。別の場所にいる機構技術者が使っているツールがご自分の手元にあれば、基板を設計する方法が激変するでしょう。それがどのように実現するかを見ていきましょう。 3Dクリアランスチェック 基板を設計した後に試作品が高額になったり、製造の工程で基板が筐体に収まらなかったりしたことはありませんか? 私は一度そのような経験をしましたが、それは試作に送る直前に電解コンデンサーを設計に追加したときのことでした。後になって、クリアランスの計算が少し間違っていたことがわかったため、機構技術者に設計データを送ってモデリングとチェックをしてもらってから、モックアップに戻しました。製造の工程でそのようなミスが見つかってしまったら、上司に何と説明すればよいでしょう。クリアランスチェックはリスクが高くなりますが、特にマルチボードのPCBの場合はそれが顕著です。非常に高額な3Dパズルのようにすべてを適合させ、それを筐体に収める必要があります。筐体は社内のスタッフが設計する場合もあれば、そうでない場合もあります。私は自分のことを出来の悪い設計者だとは考えていませんが、使っているシステムの3Dモデルがなければ、気付きにくいミスをしてしまうでしょう。 いつでも可能なモデリング 今では大半の設計者が基板のコンピューターモデルを使っていますが、それらを構築するのは設計者ではなく、通常は機構技術者の仕事です。とはいえ、別の人に変更を何度も送ることなく、設計者自身がモデルを作ってクリアランスチェックができるとすればどうでしょう? これは、MCADプログラムを勉強して文字通りにすべて自分で作業をする、という意味ではありません。私が言いたいのは、 回路基板ソフトウェアに仕事をしてもらうということです。これを実現するのは、高度に統合されている優れたMCADツールです。現在では、個々のコンポーネントの3Dモデルを生成し、すべての要素を含む基板のモデルを作成できるツールが提供されています。高度なツールであれば、筐体の3Dモデルをインポートし、クリアランスチェックを実行できるものもあります。こういった機能があれば、誰かを間にいれることなくMCADを自分で進めることができます。たとえば、電解コンデンサーが適合しているかどうかも、ボタンを数クリックするだけで確認できます。 基板間のエレクトリカル ルールチェック エレクトリカル ルールチェックはソフトウェアによって自動的に基板レベルで実行されるため、通常はそれほど面倒なものではありません。とはいえ、接続が複数の基板にまたがる場合、接続を追跡するのはほぼ不可能です。システム全体をチェックし、電気的にも機械的にもすべてが適合しているかどうかを確認できるプログラムはごくわずかです。これが可能なツールでは、さまざまな基板にまたがってルールチェックを実行できるため、設計中のすべての準備を整えることができます。また、筐体の変更や他の外部的な要因によって、PCBで大幅に接続を修正しなければならない場合の再設計にも大いに役立ちます。 開発中のエラーチェック 記事を読む
階層回路設計はPCB回路図のレイアウトにどう役立つのか 階層回路設計はPCB回路図のレイアウトにどう役立つのか 1 min Thought Leadership 皆さんが働いている会社の構造は、組織図で明確にされていますか? だとすれば、階層構造がいかに便利なのかをご存知でしょう。誰が誰の部下で、どの部門が上下関係にあるか、といったことを把握していれば、特定の質問や仕事について誰と話をすればよいのかがわかります。一方で会社にそういった組織構造がない場合は、たくさんの混乱を招きかねません。 PCB設計の回路図の組織は会社の組織と似ています。小さな回路図であれば、1つや2つのシートに表示して簡単に作業できます。ただし、複数のシートで構成される回路図になると、異なるシートに分散した部品や機能を見つけるのが困難になることがあります。会社の構造を示す組織図と同じように、階層回路図では設計の構造が組織化されて表示されます。 階層回路図のレイアウトがもたらす利点は莫大になる可能性があります。そこで、回路図を階層化して設計に役立てるさまざまな方法をご紹介します。その前にまず、階層回路図がどのようなもので、CADシステムでどう機能するのかについて確認しておきましょう。 典型的なPCBの回路図 階層回路設計とは 階層回路設計（ブロック設計）では、異なる回路図の設計がメインデザインのトップシートにブロックシンボルで表示されます。大規模な設計では、ブロックシンボルのあるトップシートが複数になる場合もあります。一部のケースでは、トップシートのブロックシンボルが、ブロックシンボルの追加された 別のシートを示すこともあります。 トップシートのそれぞれのブロックシンボルは、回路図を表します。このよい例は、電源のあるプロセッサーの回路図でしょう。電源のブロックシンボルはプロセッサーデザインのトップシート上にあり、その電源の回路図を表しています。ブロックシンボルを選択して開くと、電源の回路図が表示されます。 階層回路図の作成と管理 設計で回路図の階層ブロックを作成するには2つの方法があります。 新しいブロックシンボルから子デザインを作成する: トップシートにブロックシンボルを作成し、そのブロックシンボルから新しい設計を開始します。このデザインは個別の回路図として保存されますが、新しい回路図はブロックシンボルによってメインデザインに組み込まれます。 既存のデザインをメインデザインに取り込む: 既存の回路図を取り込んで、メインデザインのトップシートに作成したブロックシンボルと関連付けます。 個別の回路図が組み込まれると、回路図エディターでデータの不一致が管理されます。もう一度プロセッサーデザインを例にしてみましょう。電源は個別の回路図ですが、そのブロックシンボルは、メインデザインの一部になっているプロセッサーの回路図に取り込まれます。また、すべてのネット名とデジグネータが一致するように管理されます。 階層は回路図レイアウトの整理に役立つ 階層回路図のレイアウトはどう役立つのか 階層回路図では、トップシートで設計のシステムレベルの機能を表示し、個々のブロックシンボルからそれぞれの機能領域へと降りていくことができます。これは工学技術者、テスト技術者、現場技術者が活用できる、回路図を整理するために極めて有益なツールです。また、階層回路図には下記の利点もあります。 回路の同一ブロックの作業負荷が軽減されます。たとえば、8つのチャンネルのデザインに対して、回路で同じ8つのチャンネルを作成する必要がなくなります。つまり、チャンネルの回路の回路図を一つ作成し、同じチャンネルのデザインに紐づく8つのブロックシンボルを配置するだけで済みます。また、回路図エディターでネットとリファレンスの名前が変更され、それらの不一致が解消されます。 記事を読む