集中化されたコンポーネントライブラリ - ハードウェアチームのためのベストプラクティス

フリーランスのハードウェアエンジニアとして4年が経過するまで誰も教えてくれなかったことがあります：部品ライブラリとそれをうまく管理することが、PCB設計の本当のボトルネックです。

それはあまり回路設計やPCBのレイアウト自体ではなく、部品そのもの、その利用可能性、そして適合性に関わる問題です。

私を含む他のエンジニアは、どのバージョンが正しいか分からないために、正しいコネクターやヘッダーをライブラリで探すのに数時間や数日を費やしました。

抵抗器、コンデンサー、その他の受動部品が間違ったメーカー部品番号であったり、在庫がなかったり、EOL（製造終了）だったために、基板の製造が数週間遅れたことがあります。BOM管理ツールでチップがNRND（新規設計非推奨）やEOLとして中間見積もりの状況になることも見たことがあります。

これらの問題は、PCBレイアウトが完了した後でも大量の時間を消費します。残念ながら、BOMに含まれる部品の数を考えると、これらの状況は高い確率で発生し、珍しい例外ではありません。

この記事では、ハードウェアチームがより迅速に動けるように、そして生産のサプライズを避けるために、集中化されたコンポーネントライブラリを構築し、維持するためのベストプラクティスを探求します。

キーポイント

• 管理が行き届かない、または分散された部品ライブラリは、PCB設計において大きなボトルネックとなり、回路図やレイアウト作業よりも多くの遅延を引き起こすことがよくあります。
• エンジニアごとに部品の管理方法が異なると、重複する部品、一貫性のないフットプリント、欠落している3Dモデルが発生し、見積もりや生産時にエラーや時間の無駄につながります。
• 強力な中央集権型システムには、明確な部品作成ワークフロー、標準化されたシンボルとフットプリント、厳格なバージョン管理、そして定義されたレビュー/承認の役割が必要です。
• 効果的な中央集権型ライブラリには、部品のプレビュー、設計全体での使用追跡、ライフサイクル/ステータスの可視性、エコシステム全体の更新、コメント、最新の在庫と利用可能性のチェックなどの機能が含まれます。
• 継続的なメンテナンスと明確なアクセスと権限により、ライブラリが正確であり続け、代替品をサポートし、最後の瞬間のサプライチェーンのサプライズなしにハードウェアプロジェクトを進行させます。

みんなが自分のやり方をするとどうなるか

例えば、5人のエンジニアがいるとします。それぞれが部品の管理方法を持っています。あるエンジニアは、すべてのピンを「受動的」にすることを選びます。それは速いからです。別のエンジニアは、すべての部品を完璧にするためにあまりにも多くの時間を費やします。また、別のエンジニアは、いくつかの簡単な視覚チェックの後、ダウンロードした部品ライブラリをそのまま使用します。

2年後、複数の設計を経て、結果として得られるのは：

• 同じSTM32マイクロコントローラのパートナンバーが4つの異なる名前で保存されています。
• IPC密度レベルに影響する異なるコートヤードとパッドを持つ抵抗器のフットプリント。
• 3Dモデルがない部品や異なる3Dモデルがあるため、機械的にクリアランスを確実にチェックできません。
• 新しい設計でもまだ廃止されたと表示されるチップ。

見積もりを試みるまで何が欠けているか分からないことがよくあります。小さな詳細を見逃すと、簡単に1日分の作業を失うことがあります。

モグラたたきの部品問題を修正する方法（狂わずに）

実際に効果がある方法です。遅延、再設計、または仕事の損失になる前にミスをキャッチする、堅牢な中央集中型コンポーネントワークフローを構築するための6つの主要なステップがあります。

• さらに詳細な分析が必要なチームは、ECADライブラリ管理に関する専用の記事をご覧ください。

ステップ1: コンポーネント作成ワークフローを定義する

作成する各部品に必要なもの：

• 回路図シンボル
• PCBフットプリント
• コンポーネント情報（詳細なコンポーネント説明、メーカー、メーカーパートナンバー、電圧や電流のような主要スペック、データシートのリンクまたはファイル、シミュレーションモデルなど）
• 誰もがアクセスできる保存場所

これがあなたの基準です。すべてのハードウェア設計には、各コンポーネントにこれらが必要です。

ステップ 2: 図記号をユニバーサルな方法で作成する

図記号について:

• IEC/IEEE 標準の記号を使用する。 経験豊富なエンジニアは、あなたの回路図をより速く読むことができます。デバッグのために実際のピン配置を示す必要がある場合は、第二の記号バージョンを作成してください。
• ピンの種類を正しく設定する。 すべてを「受動的」とマークしないでください。必要に応じて入力、出力、双方向、電源を使用してください（データシートを参照）。正しいピンの種類は、DRCが自動的に問題を検出するのに役立ちます。
• 詳細な説明を追加する。 デバイスが何をするのか、どこで使用されるのかを記述してください。例えば、「STM32F4 ARM Cortex-M4、168 MHz、製品A、B、Cでのモータ制御用」。将来のあなたが感謝するでしょう。
• 社内部品番号を含める。 これにより、複数のメーカー部品番号を同じ内部デバイスにマッピングできます。
• 誰でもアクセスできる場所に記号を保存する。 バージョン管理付きのネットワークドライブ、組み込みバージョニング付きのクラウドストレージ、またはGit/SVNを使用してください。
• 可能であれば、記号とフットプリントのプレビューを使用する。ダウンロードせずにプレビューできるシステムやPLMを選択するか、シンボル、フットプリント、3Dモデルのプレビュー画像をアップロードしてください。

ステップ 3: フットプリントを深く考えずに扱う

フットプリントはシンボルより簡単です。以下のステップに従ってください：

• IPC-7351を使用して名前を付けます。これにより、一貫性のある意味のある命名が可能になります。
• 標準のフットプリントスターターパックをダウンロードします。一般的な0201、0402、0603、0805、1210、SOIC、SSOPなどの標準フットプリントを信頼できるソース（例：Octopart）から一度に入手します。これで、使用するほとんどの部品をカバーできます。
• カスタムデバイスモデルについては、必要に応じてダウンロードします。コネクタ、インダクタ、その他のユニークな部品については、必要に応じてフットプリントをダウンロードし、ローカルでテストした後、リリースプロセスを経て中央集約型ハブにプッシュします。
• 異なるボード密度のためのランドパターンを含めます。HDI PCBや製造業者が使用するはんだ付け方法に合わせるために、これは特に重要です。

ステップ 4: バージョン管理を設定する

私の以前の役割の一つで、ある経験豊富な電気エンジニアがバージョン管理を一貫して使用していませんでした。プロジェクト開始から数ヶ月後、エンジニアリング部門のディレクターが、抵抗器が3 kΩから10 kΩに変更されたことに気づきました。彼は前週に印刷された正しい値を示す回路図を持っていました。

おそらくの原因：代替回路ソリューションが新しい設計にコピーされ、抵抗値が元に戻されなかった。

私もハーネス設計の詳細で似たような間違いを犯しました。正しい回路ですが、2つのワイヤーラベルが間違っていました。その場合、SVNにバックアップされた回路図を使用して、数分で全てを正しいバージョンに戻すことができます。

Git、SVN、PLM、またはクラウドソリューションを使用する場合でも、デジタルバージョン管理と、設計ソフトウェアに接続された追跡可能な承認プロセスが必要です。視覚的なメモだけでは不十分です。

ステップ5: 承認プロセス

部品を製造またはプロトタイプで使用する前に、リリースされている必要があります。ここで簡単な承認ワークフローを紹介します：

1. コンポーネントドラフト
    
   • 部品を作成します。機能的には問題ありませんが、承認されていません。
   • ドラフト01、ドラフト02などと記入してください。
      
2. コンポーネントレビュー
    
   • 誰かがデータシートに対してフットプリントを確認します。
   • 誰かが部品番号を検証します。
   • 誰かが3Dモデルがエンクロージャに収まるかを確認します。
   • 問題が記録され、修正されます。
      
3. コンポーネントリリース
    
   • レビューを通過すると、リビジョンAになります。
   • これで誰もが使用できるようになりました。これが公式です。

リリースされた部品を変更する必要がある場合は、それをドラフト（例：A1）に戻し、再度レビューを行い、リビジョンBとしてリリースします。

バージョン番号の例：

• ドラフト01、ドラフト02、ドラフト03…
• 承認 → リリース = リビジョンA
• 次の変更サイクル → ドラフト → レビュー → リビジョンB

ルール：行った主要な変更を明確に説明するコメントを必ず残してください。「部品を更新した」とだけではなく、「シート4でDRCが失敗していたため、ピン7のタイプを未指定から電源に変更しました」といった具体的な内容です。6ヶ月後、誰かがなぜ変更したのか疑問に思い、元に戻すかもしれません。コメントがそれを防ぎます。

ステップ6：誰が何をレビューし、承認するか

標準的な承認プロセスを持つことで、すべてがより速く、より信頼性が高くなります。

明確な所有権を割り当てる：

• シニアエンジニアがすべてのアナログ部品を承認します。
• 別のエンジニアがデジタル部品を承認します。
• 機械エンジニアが3Dモデルとクリアランスをチェックします。
• ディレクターやリードが最終承認を行います。

部品情報に所有者の名前を入れます。STM32について質問がある場合、誰に尋ねればよいかが正確にわかります。

数万のコンポーネントを持つ企業では、ライブラリ管理の大部分を1人のエンジニアに割り当て、必要に応じて人を追加することが一般的です。PCBデザイナーはレイアウトに、電子エンジニアは回路に、ハードウェアエンジニアはシステム統合に集中できます。

会社が成長するにつれて、「ライブラリ担当者」としてフルタイムで働く人を持つこともできます。すべてが彼らを通じて行われるため、ライブラリはより一貫性があり予測可能になります。

すべてを保存する場所

すべてのコンポーネントモデル（PCBフットプリント、回路図シンボル、3Dモデルなど）を保存するための一か所が必要です。ローカルのラップトップやランダムなフォルダーに散らばっているのではなく。

一般的な戦略：エンジニアはコンポーネントライブラリのローカルコピーで作業し、それを修正し、実際の設計で部品を検証し、バージョン管理を使用して更新されたコンポーネントを中央リポジトリにプッシュします。ネットワークドライブから直接作業することは可能ですが、ECADのパフォーマンスに問題を引き起こす可能性があります。

集中コンポーネントシステムに必要なコア機能は何か？

以下の機能を目指してください：

• ダウンロードせずに部品をプレビュー。 コンポーネントをレビューする際の大きな時間節約。
• 部品が使用されているすべての設計を追跡。 コンポーネントが全製品でどこに存在するかを知る必要があります。
• コンポーネントの状態追跡：廃止、在庫切れ、在庫僅少、NRND。これを製造見積もり前に把握しておくことで、何週間ものやり取りを省くことができます。
• エコシステム全体でコンポーネントを更新する機能。抵抗のフットプリントを更新するとき、その変更が関連するすべての設計に伝播するか、簡単に取り込むことができるべきです。
• 部品に関するコメントやメモ。例えば、「このチップは発熱するので、ヒートシンクを追加してください（データシートの47ページを参照）」や「このフットプリントはFR4でのみ使用してください」など。
• 最新の在庫確認。部品を使用する前に、ディストリビューターのAPIやBOMツールに接続して、在庫状況を確認します。

もし、あなたの一元化されたフローがこれらをサポートしていない場合、部品の「ベビーシッター」をする時間が、ボードの設計をする時間よりも多くなってしまいます。

すべての部品に対する新しいワークフロー

新しい部品を一元化ライブラリに追加するための適切なワークフローはこちらです：

1. 部品を見つけて、サプライヤー、価格、在庫状況、CADモデルを確認します。
2. 部品が生産中か廃止されているかを確認します。廃止された部品は使用しないでください。必要に応じて推奨される代替品を探します。
3. パッケージとPCBフットプリントを確認します。パッケージとフットプリントがサイズとスタイルで一致していることを確認します。
4. 3Dモデルを入手してください。主要なソースで利用できない場合は、メーカーのウェブサイトや専用の3Dモデルライブラリをチェックしてください。
5. 在庫と入手可能性の履歴を確認してください。部品が頻繁に在庫切れの場合は、別の部品を選択してください。
6. 代替部品を見つけてください。特にICについて。主要な部品が12週間後になってからではなく、今、合理的な代替品を追加してください。
7. ディストリビューターを統合してください。複数のサプライヤーから合理的な最小注文数量で入手可能な部品を優先してください。
8. コンポーネントのデータシートをダウンロードしてください。URLが変更されることがあるので、会社のサーバーにローカルに保存してください。
9. バージョン管理を備えた共有ライブラリにコンポーネントモデルと情報を保存してください。
10. 部品を設定または変更した理由について簡単なコメントを追加し、変更をプッシュしてください。

これを一貫して行うことで、後で多くの不愉快なサプライズを避けることができます。

代替部品は思っているよりも重要です

代替部品について：

• 部品情報に代替部品番号をリストしてください。
• 回路の変更点（異なるピン配置、仕様、許容差など）をメモしてください。
• 可能であれば、設計をリリースする前に両方の部品をテストしてください。

本当に代替品を見つけることができない場合は、その部品がユニークに適している場合：

• 広く入手可能であることを確認してください。
• 安定したメーカーを優先してください。
• 複数のディストリビューターがそれを取り扱っていることを確認してください。
• それがリスクであることを明確にし、それを文書化してください。

可能であれば、異なる部品を使用して同じ機能を達成する代替回路設計も検討してください。これは設計の再利用ライブラリの一部となります。

コンポーネントライブラリのメンテナンス

実用的な更新頻度：

• 週次：チームが必要とする新しい部品を追加します（上記のワークフローを使用して）。
• 月次：古いライブラリを更新します。廃止された部品をチェックし、対処方法を決定します。
• 6ヶ月ごと：成功した製品の発売後、元の選択よりも性能が良かった部品を追加します。
• 年次：特にICなどの全てのコンポーネントをリフレッシュし、メーカーの変更、買収、廃止などの変更をキャッチします。

更新時には、以下を尋ねます：

• 部品はまだ生産中ですか？
• 部品はディストリビューターに在庫がありますか？
• 新しいバージョンや改良されたバージョンはありますか？
• 代替品を追加する必要がある部品はありますか？
• 今、より良いまたは安価なオプションはありますか？

2年前に廃止された部品を使用しており、注文時にそれを発見した場合、再設計を余儀なくされるか、怪しいベンダーから購入するリスクに直面するかもしれません。

中央集中型ライブラリをディストリビューターのデータや在庫データベースに接続することで、部品を使用する前に部品が不足しているかどうかを確認できます。サプライチェーンの現実がハードウェアのスケジュールを左右します。

アクセスと権限

部品ライブラリの確かなシステムを持ったら、アクセスを定義します：

• 関連するすべての電気・電子エンジニアは、部品の閲覧とダウンロードのアクセスが必要です。
• 一部の機械エンジニアは、筐体内の適合を確認するために3Dモデルとフットプリントへのアクセスが必要です。
• ECADとMCADのコラボレーションツールは、これをさらに重要にします。理想的には、共有された部品の寸法と筐体情報を持つことです。

典型的な権限モデル：

• 承認された全員が部品の閲覧とダウンロードができます。
• エンジニアはドラフト部品を作成できます。
• 指定されたレビュアーが部品を承認します。
• リード/ディレクターが部品をリリースします。

リーンな状態では、これが一人または二人のエンジニアに全て委ねられることもありますが、できるだけ早く複数人のレビューを目指してください。

よくある質問

機械、ファームウェア、電気はすべて同じデータベースを共有すべきですか？

はい。同じ製品に関わっている場合、特により統合されたECAD–MCADワークフローを持つ場合は、同じ情報が必要です。

リリースされた部品を誤って変更するのをどう防ぐか？

適切な権限、バージョン管理、および承認ワークフローを使用してください。多くの中央集権型システムでは、リリースされたファイルをロックできます。もしそれができない場合は、サーバー上でファイル権限を強制してください。

ライブラリの更新スケジュールはどのようにすればよいですか？

新しい部品を週に一度追加し、月に一度大量更新を行い、プロジェクト終了後には6ヶ月ごとに更新し、年に一度全体をリフレッシュしてください。今払うか、後でより多く払うかのどちらかです。

私たちの契約者がライブラリを使用してくれません。どうすればいいですか？

彼らの理由を理解することですが、理想的には、あなたのライブラリを使用するか、彼らのものをあなたのエコシステムに統合する意思のある契約者と協力してください。

一つのメーカーからしか入手できない部品をどのように扱いますか？

リスクとして文書化してください。可能であれば、バックアップ回路設計を作成し、在庫を密接に監視してください。

結論

Tom Hausherrがある会議で私に言ったことがあります。「PCBレイアウトは、そのコンポーネントライブラリの良さによってのみ成り立っています。」一度中央集権型ライブラリを設定すれば、それなしでどうやって仕事をしていたのか不思議に思うでしょう。

しっかりとしたシステムが整っていれば、PCBコンポーネントを管理し、最新のサプライチェーンデータを入手し、何百万もの使用準備が整った部品に一つの安全なPCBコンポーネントライブラリでアクセスできます。これらのベストプラクティスを実践に移したい場合は、

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