PCB設計とCADソフトウェア：あなたの設計を支配するものを知る

時々、「法の支配」というフレーズが、国がどのように統治されるかについての会話の一部になります。13世紀のマグナ・カルタにまで遡るこの「法の支配」は、平和で公正な社会の発展と、基本的人権の必要性について語っています。「法の支配」の下で生活する個人は、

• 法の下の平等
• 法の透明性
• 独立した司法と
• 法的救済へのアクセスを享受します。

統治のためのルールがなければ、一貫性の欠如によって混乱が生じるのを目の当たりにするでしょう。PCB設計においても同じことが言えます。電気的および設計ルールの確かな基盤がなければ、異なる周波数で動作するデジタル信号とアナログ信号の狂乱がノイズになってしまいます。スマート食器洗い機が10軒中9軒の家庭で放つ信号がスパイ衛星によって検出されるような、騒がしい回路で満たされた世界はあまり快適とは言えません。

PCBを設計するためにCADソフトウェアを使用するとき、電気的ルールがボードレイアウトプロセスを支配します。たとえば、コンポーネントを配置した後、トレースが回路図と一致するように、また、設計が信号完全性、RF、およびEMC設計ルールを遵守するように、電源、グラウンド、および信号トレースをルーティングする必要があります。

空気中には電気があります

一部のルールはどこでも明らかですが、コンピュータの周りに立っている間にPCB設計に速度制限を適用するのはそう簡単ではないかもしれません。PCBにおける一般的な電気的ルールには、

• クリアランス
• ショートサーキット
• 未配線ネット
• 未接続ピン
• 未塗布ポリゴン

クリアランス：PCBトレース間の正しい距離がないと、フラッシュオーバーが発生する可能性があります。クリアランスは、銅層上の任意の2つのオブジェクト間で許可される最小のクリアランスを定義します。アメリカ合衆国では、UL 60950-1標準が、バッテリー駆動およびAC駆動の情報技術機器のための許可される最小のPCB間隔を提供しています。標準文書内の表は、作業電圧、汚染度、PCB材料グループ、およびコーティングの観点から、トレースのクリアランス距離を指定しています。

ショートサーキット：PCB設計のコンポーネント密度を増やすことは、ショートサーキットの環境を構築します。多くの場合、設計では密度の問題に対処するために、より小さいコンポーネントパッドを使用します。しかし、小さいパッド間の狭い距離は、はんだブリッジが形成される可能性があります。小さいパッドの使用は、トレースルーティングにも問題を引き起こし、それが結果として接続を混雑させ、はんだ接合に影響を与えます。これらの条件のいずれかが、ショートサーキットの環境を作り出す可能性があります。

電圧と電流が従うべき多くの法則があります。

未配線ネット：ボードのアウトラインを作成した後、PCB設計プロセスは部品の配置と設計デバイスのフットプリントの設定に移ります。配置された各部品のピンは、設計を完了と呼ぶ前に接続する必要があります。私たちのPCB設計ツールは、部品間の各接続をワイヤーで表します。

ネットは、最初のソースポイントから最後のソースポイントまでの、ポイント、コンポーネントランド、ビアの全体の文字列を含みます。異なるネットは、異なる量の電流を運ぶ必要があるため、幅が異なります。

ネットは、2つのピンが接続されなければならないことを示す設計ガイドとして機能します。ネットが確立されると、次の段階のボード設計では、部品間のネット接続のルーティングが行われます。ルーティングプロセスは、ネット接続をPCBプロトタイプ内の部品を物理的に接続する銅トレースに変換します。

ルーティングされたネットは、トラック、アーク、パッド、ビア、ポリゴンを通じてすべてのコンポーネントパッドが接続されています。ルーティングされていないネットは、ネット内の悪い接続、不十分な接続、または完了していない接続を表します。ビアにわずかに触れるトラックが、ルーティングされていないネットエラーを引き起こします。

未接続ピン：未接続ピンルールは、悪い接続や不完全な接続の全体的なチェックに冗長性を追加します。未接続ピンは、割り当てられたネットや接続されたトラックがありません。PCBを設計する際には、スキーマティックレベルで未接続ピンをチェックしてください。ピンを意図的に未接続のままにする場合は、ピンを「No ERC」としてマークします。

未注入ポリゴン：ポリゴン注入は、多層PCB上の銅分布を対称的にバランスさせます。その結果、製造プロセス中にボードが反り、曲がり、ねじれることが少なくなります。良好な銅バランスは、PCBの各層内で均一に分布したトレースを持っています。開いたエリアを銅で満たすことで、反対側の層の銅を相殺し、対称性を提供します。

銅の分布が非対称になると、ホットエアーレベリング、ウェーブはんだ付け、リフロー時の熱発生によって引き起こされる熱負荷がPCBの反りを引き起こすことがあります。反ったボードは球形に変形し、ボードの四隅が単一の平面内にあります。ねじれたボードは対角線上に変形し、PCBの一角が残りの三角の平面外に位置する原因となります。

設計要件を満たすために適切で必要な対称性を確保してください

電気ルールチェックがすべてをまとめます

PCB CADソフトウェアは、電気ルールチェック（ERC）を使用して回路図の正確性を検証し、設計が確立された制約を満たしていることを確認します。回路図でルール違反を検出することで、プロセスが回路図からボードレイアウトに移行する前にエラーを修正できます。例えば、短絡に対する電気ルールチェックは、信号層と平面層に位置するオブジェクト間の短絡をテストします。

強力なPCB CADソフトウェアを使用すると、ERCレポーティングレベルをバス、コードシンボル、コンポーネント、ハーネス、ネット、パラメーターに関連付ける柔軟性を持つことができます。この柔軟性により、ギャップ幅、トレース幅、およびすべての信号のルーティングをチェックできます。これらのソフトウェア機能については、Altium Designerをご覧ください。

デザインルールやベストプラクティスについてさらに詳しく話を聞きたい場合は、今すぐAltiumの専門家に相談してください。