ECADライブラリを管理して一貫したPCBレイアウト設計を実現する方法

ハードウェア設計で全て正しく行っていても、たった一つのフットプリントのせいでボードが失敗することほど痛いことはありません。私もこれを経験しましたので、私の過ちを繰り返さないでください。一貫したPCBレイアウト設計のために、ECADライブラリの管理方法を学びましょう。

主なポイント

• 一つの不一致フットプリントが、数週間の遅延、20,000ドルの生産損失、そしてクライアントとの関係を損なうことがあります。些細な見落としでも、信頼とスケジュールを破壊する可能性があります。
• ECADライブラリの無秩序と構造の欠如は、PCB失敗の主要な原因の一つです。標準化されたプロセスとコンポーネントデータが不可欠です。
• 強力なコンポーネントの説明は、追跡可能性を保証し、交換を簡素化し、部品が廃止された場合のコストのかかる再設計を防ぐため、部品番号よりも価値があります。
• 信頼できるPCB設計は、5つの柱に依存しています：回路図シンボル、コンポーネントデータ、シミュレーション、3Dモデル、およびランドパターン。
• シミュレーション、3D衝突チェック、およびIPC準拠のフットプリントは、製造後に修正が高価または不可能な下流のエラーを防ぎます。
• 規律あるライブラリ管理システムは、混乱を信頼性に変えます。プロセスがあなたを遅くするのではありません。間違いがそうさせます。

20Kドルのフットプリント

フリーランスとしてのキャリア初期に、新しいクライアントに自分を証明しようと意気込んで動いていました。設計は完了し、製造もスムーズに進み、すべての部品が在庫にありました。2週間後、組み立てが始まったとき、胃が落ちるようなメールが届きました。「生産一時停止 - PCBコンポーネントを組み立てに配置できません。」

部品番号の問題に違いないと確信していました。BOM、回路図、ボードレイアウトを確認しました。すべてが正常に見えました。しかし、そうではありませんでした。

一つのフットプリントが間違ったピン配置になっていました。設計の途中でテスト用にそれを入れ替え、回路図に同期させるのを忘れていました。その一つの小さな見落としが生産を停止させました。

結果は？テストボード5枚に332ドルを無駄にし、6週間の遅延、そして2万ドルの生産ランが失われました。クライアントの信頼はなくなりました。彼らは締め切りを逃し、レイアウト作業のために別のデザイナーを選びました。私を紹介してくれた同僚は礼儀正しかったですが、その会社から別のプロジェクトを受けることは二度とありませんでした。

それは厳しかったが、私のキャリアで最も重要な教訓でもあった。最高のエンジニアであっても、構造がないと間違いを犯す。チェックリストも標準化もなく、頭の中にあるだけだった。それを変えなければならなかった。

ここで学んだ核心的な原則は次の通りです：

ライブラリの各部品について、最小限の必要データを保持すること。購入者にとって最も重要なフィールドは製造元部品番号（MPN）です。しかし、設計者にとっては、部品の説明です。

なぜか？MPNは部品を購入するときにのみ重要であり、すぐに古くなります。わずか数年で、部品情報、サプライヤー、あるいは製造元へのアクセスを失うことがあるという厳しい経験をしました。説明がなければ、古い回路図を解読して部品が何であったかを判断する必要があるか、さらに悪いことに、そのボードのセクションを再設計しなければなりません。

詳細な部品説明は安全策として機能します。データシートを要約し、主要な特性を定義し、サプライヤー間で同等のアクティブな部品をすばやく見つけることができます。そのため、経験豊富なエンジニアは、コンデンサーであってもデータシートを常に保存します。部品が廃止されることを知っており、代替品を探すために費やされる時間は生産性の損失です。

いいえ、「部品情報を探すのに半分の時間を費やす」のが「普通」であるべきではありません。そのため、私は今ではBOM管理ツールと標準化されたプロセスに頼って、すべてのコンポーネントを追跡可能で、交換可能で、生産準備が整っている状態に保っています。次のセクションでは、そのシステムについて説明します。このシステムのおかげで、私は二度と組織の乱れでクライアントを失うことはありませんでした。

「私たちは小規模だから、プロセスを設けると遅くなる」と思うかもしれません。私もそう思っていました。しかし、私の話が示すように、自分のプロセスを尊重しないと、たとえ一人チームでも、組み立て中に数週間後に発見される何かを見逃すことがあります。

一つのフットプリントがスケジュールを台無しにすることがあります。部品が配置できなければ、組み立ては停止します。その後、高密度ボードでの手はんだ付けが待っています。

私が頭の中で保持していた内部プロセスを共有していますので、私の過ちを繰り返したり、クライアントにコストをかけたりしないようにしてください。「プロセスに成長する」のを待つことはできません。小規模チームはバッファが少ないです。部品ごとに少しの厳格さが、数週間の作業、数万ドルの節約につながり、将来の販売、キャッシュフロー、そして会社を守ります。

プロセスがあなたを遅くするわけではありません。ミスがそうさせます。

では、どうすればいいのでしょうか？部品が将来にわたって再作成できるように、詳細な部品説明を保持し、フットプリントを二重、あるいは四重にチェックすることです。

なぜ部品ライブラリが製品の発売全体を台無しにするのか？

部品ライブラリに関する最も一般的な問題は以下の通りです：

MPNのみの記録（記述フィールドなし）

本当に困るのは、製造者部品番号のみが記録されていて、部品を識別するものが何もない場合です。

MPNは廃止され、すべての製造者が古いMPNの廃止記録を保持しているわけではありません。企業も買収され、特に航空宇宙システムのような長寿命製品では、古い記録が時間とともに失われます。部品番号だけがある場合、何年もオンラインで利用可能だった情報が今日突然消えることがあります。

単一サプライヤーのBOM、ライフサイクルの盲点

先週、私はクライアントのためにBOMを提出しました。レイアウトとガーバーチェックは問題ありませんでしたが、部品が在庫になく、一部は在庫不足（代替品を持っていました。すべてがスムーズに運びました。

バイヤーはしばしば複数のソースに依存する必要があるため、エンジニアはBOMに代替のサプライヤーオプションを提供する必要があります。そうでないと、組み立てが遅れ、設計者は在庫を見つけるためにディストリビューターのウェブサイトを探すために余分な時間を費やす必要があります。

フレームワーク：堅固なコンポーネントの5つの柱

完璧なPCBライブラリが不可欠であることが明らかになった今、これらの問題をどのように防ぐか？ハードウェア設計と生産で使用する堅牢なフレームワークがここにあります。パーツライブラリにあるすべてのデバイス/コンポーネントが持つべき5つの重要な要素があります。これらをデータベースに焼き付け、決してスキップしないでください。他に何か追加したい場合は追加してくださいが、常にこれらを含めてください。

ECADライブラリでは、設計ソフトウェアでその物理デバイスのデジタル相当物をモデル化します。それを適切に行うためには、次のことを示さなければなりません：

製品の特性

• 部品に関する情報： 可用性、価格、最小注文数量、説明など。
• 電気機能： SPICE、IBISなどのシミュレーションモデルを使用して、ビルドやテストにお金をかける前に異なる条件下での挙動を予測します。急いでいるサイクルでは手計算やデータシートが十分であると見なされることが多く、しばしばスキップされます。
• 3Dモデル：デバイスの高さ、サイズ、形状を示す3D表現であり、エンクロージャ内のPCBの配置を示すのに重要です。
• PCBインターフェース：部品が置かれるPCB上の領域、つまり実際の物理的部品に合わせるPCBフットプリントです。

柱1 - 回路図シンボル

回路図シンボルは部品の概念的表現です。ピン、ピン名、および標準シンボル規則を含め、部品の動作方法を伝えます。

正しい視覚表現が重要なので、一般的なボックスを使用しないでください。例えば、抵抗器には、ボックスではなく適切な抵抗器シンボルを使用してください。

柱2 - コンポーネント情報

これは任意のデバイスの最も重要な部分であり、他のすべてを定義します。部品データがなければ、それを購入したり構築したりすることはできません。各部品には以下の情報が必要です：

コンポーネント説明

これは、データベース内の部品を識別し、仕様に基づいて広範囲に検索可能にする最速の方法です。コンポーネントの説明にメーカー部品番号のみを使用することは実用的ではありません。なぜなら、仕様による検索を許可しないからです。いくつかの重要な仕様を含む簡易説明の方が良いです。例えば、LTST-C193TBKT-5Aの代わりにLED BLUE CLEAR CHIP SMDを使用します。

しかし、さらに進めましょう。こちらが私の命名規則です：

長い形式（正式名）：

LED BLUE 470NM CLEAR INDICATION DISCRETE 2.8V 0603 (1608 METRIC) SMD

中間（ERP対応）：

LED BLUE 470NM CLEAR 2.8V 0603 (1608 METRIC)

超短縮（ラベル/項目）：

LED BLUE 470NM 0603

私ならオプション2、中間（ERP対応）バージョンを選びます。

コンポーネントの説明

コンポーネントの説明には、機能、主要パラメータ、パッケージタイプが含まれます。「単純なLED」は単に単純なものではありません。これらの詳細を捉えて、識別可能で使用可能にします。

正確な部品説明により、適切な代替品の選択が可能になります。LEDの場合、順方向電圧/電流や明るさ（mcdレーティング）のようなデータが必要です。「LED BLUE CLEAR CHIP SMD」という名前は部品名として機能しますが、完全な説明としては不十分です。データシートがなければ、代替品を見つけることはできません。

より良い説明は「Blue 470nm LED Indication – Discrete 2.8V 0603 (1608 Metric)」です。これには順方向電圧、波長、パッケージサイズが直接含まれており、簡単なキーワード検索を通じて類似の部品を迅速に見つけるのに十分な情報があります。

これを「Blue LED SMD」という不十分な説明と比較してみてください。順方向電圧、輝度、正確なフットプリントなどについて何も教えてくれません。これでは、このMPNのデータシートを開き、基本的な電気仕様を探し出し、それをエンジニアリング要件や回路図の設計と比較する必要があります。1つのLEDに30分。これを200行のBOMで40部品に拡大すると、無駄な時間（およびコスト）が明らかです。

データシート

部品の説明よりも価値がある唯一のものは、データシートです。使用するすべての部品のデータシートを保存してください。メーカーは頻繁にリンクを変更するためです。ローカルコピーを保持し、デバイスにリンクし、ウェブポータルのリンクも部品フィールドとして保存してください。

階層をこのように考えてください：

• コンポーネント名：部品を見つけるための最上位レベルの省略形。
• 詳細な説明：データシートの簡潔な抽象。
• データシート：真実の源。

部品名の目的は、必要なものを特定するのに役立つことです。部品を交換したり、再作成したりするのに十分かもしれませんし、そうでないかもしれません。説明に新しい部品を見つけるのに十分な詳細が含まれている場合、それはさらに良いことです。

メーカー部品番号

メーカー部品番号は、部品の説明があっても必須です。一部のメーカーは類似した部品番号や一般的な部品番号ファミリー（例：7400シリーズロジック、LM3xxシリーズコンポーネントなど）を使用するため、部品番号は特定のパッケージ、フットプリント、電気仕様に対応している必要があります。

メーカー名

部品を探す際の混乱を避けるためには、常に正確なメーカー名を持っていることが重要です。これは、メーカーのウェブサイトから直接部品を注文する予定がある場合にも役立ちます。

サプライヤー

少なくとも1つのサプライヤーをリストアップすることをお勧めします。ほとんどのメーカーはフランチャイズディストリビューター（例えば、Digi-Key、Mouser、Avnet、Newarkなど）を通じて販売しています。Octopartを使用して、利用可能なサプライヤーやあなたのドアや組み立て工場への配送オプションを確認してください。

第3の柱 - シミュレーション（必要な場合）

リアルタイムのパフォーマンスが重要で、初回から正しい設計が必要な場合、回路レベルとレイアウトのシミュレーションは、テスト結果との良い比較を提供し、簡単な問題を早期に発見するのに役立ちます。

では、部品をシミュレートするために私たちは何ができるでしょうか？

• SPICEモデルは、基本的な回路動作、特にパワーエレクトロニクスにおける故障分析に使用されます。
• IBISモデルは、インピーダンスの問題を事前に検出するための高速シミュレーションと分析に使用されます。立ち上がり時間や基板の周波数が約1GHz以上の場合に使用します。高速デジタル（DDR、PCIe Gen 3/4/5、USB 3.2）には実質的に必須です。約10GT/s以上の場合は、テスト前にIBISでシミュレートして検証します。結果はPCBの誘電体材料によって異なる可能性があることに注意してください。

第4の柱 - 3D/MCADモデル

多くの製品は機械的エンクロージャー内でのクリアランスが厳しいため、X、Y、Zの各ミリメートルが重要です。エンクロージャーに対する3Dの衝突チェックを使用すると、プロトタイプの組み立てを行う前に干渉問題を特定できます。

2021年でさえ、フットプリントのみで作業することは珍しくありませんでしたが、製造に移行する場合は、3Dモデルを含めて衝突テストを実行してください。部品をPCBに配置できない場合、製品は存在しません。部品はPCBを超えて存在します。一般的な3D形式にはSTEP（AP224、AP214など）があります。これらのモデルを収集し、整理しておいてください。

第5の柱 - PCB上のランドパターン

部品をPCBに配置する必要があります。ランドパターンは、部品がはんだ付けされる銅パッドを定義します。メーカー推奨のランドパターンと、IPC基準で定義されたPCBレイアウト密度に依存する現実的なランドパターンがあります。IPC-7351/7352の最小、標準、最大材料条件のオプションは、部品間ピン間隔と十分に大きなはんだフィレットを形成する必要性とのバランスを取ることを意図しています。

その重要性を考えると、フットプリントをチェックする際に私が常に確認することはこちらです。

PCBフットプリントチェックリスト

• ピン1の極性
• ペースト削減率が記載されている（現在は0%が標準です。製造業者が変更します）
• コートヤード
• パッド寸法が明記されている（エンジニアが毎回手動で行う必要がないようにする）
• 最大/標準/最小の根拠
• キープアウト領域

チェックすべきことは他にもありますが、これらが最も重要です。レイアウト中に、部品が高密度PCB上であまりにも少ないスペースを残すことが判明すると、部品を変更するか、正しいフットプリントや部品を見つける必要があります。今作業をするか、後で2倍の作業をするかです。

締めくくりと強くお勧めすること

「PCB設計の品質は、そのCADライブラリによって決まる。」これは、2021年12月の休暇中にTom Hausherrと会ったときに彼がIPC-7351の更新を率いる中での経験談を共有してくれた際に、私が覚えている言葉です。

教訓は明確でした：コンポーネントがPCBの成功を決定づける。私が経験した修復不可能な失敗はすべて、コンポーネントの見落としから起こっていました。適切な部品があれば、欠陥のある回路もしばしば調整可能ですが、デバイス自体はそうではありません。そして製造後にフットプリント互換の代替品を見つけることは賭けであり、はんだを外して作業をやり直すのに費やされる時間は言うまでもありません。

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