PCB設計プロセス：EDA設計アプローチ

ハードウェアチームが成功するのは、要求仕様から実際に製造可能な基板までを、できる限り少ないリスピンで移行できる場合です。電子設計自動化（EDA）は、最初のブロック図から最終リリースに至るまで、電気・機械・製造要件を整合させる統合型かつ制約駆動型のワークフローを提供することで、この目標を実現します。

EDAは、手作業のドラフティングや分断されたシミュレーターに代わり、要求仕様の取得、回路図入力、シミュレーション、PCBレイアウトおよび配線、検証、製造ドキュメント作成までを統合環境で実行できるようにします。適切に選定・構成されたEDAソフトウェアは、設計サイクルを短縮し、初回パスでの歩留まりを向上させます。

主なポイント

• EDAはPCBワークフローを統合します。要求仕様、回路図、シミュレーション、レイアウト、検証、リリースを結ぶ単一の制約駆動型データモデルにより、リスピンの削減と初回パス歩留まりの向上が可能になります。
• 標準化は測定可能であるべきです。共有ライブラリと制約セットを構築し、MCADやPLMと統合したうえで、プロジェクトごとのスピン回数、初回パス歩留まり、回路図凍結からリリースまでの期間を追跡します。
• 統合は今や基本要件です。最新のEDA環境は、MCAD、PDM、PLM、解析ツールと円滑に連携し、電気・機械・製造チームが常に最新データを基に作業できるようにし、後工程での問題を削減します。
• 統合されたコンテキストは差別化要因です。Altiumプラットフォームは、ソリューション探索のためのAltium Discover、PCB設計のためのAltium Develop、エンタープライズワークフローのためのAltium Agileを連携させ、分散型ハードウェアチーム向けの統合環境を提供します。

PCBエンジニアリングにおけるEDA設計とは？

EDAソフトウェアは、電子システムの設計、シミュレーション、検証、製造準備に使用されます。PCBエンジニアリングにおけるEDA設計は、通常次の内容を含みます。

1. 要求仕様およびシステムアーキテクチャ
2. 回路図作成および論理接続
3. シミュレーションおよび解析
4. PCBレイアウトおよび配線
5. 検証およびサインオフ
6. ドキュメント作成およびリリース

ほとんどのEDAソフトウェアは設計の特定分野に高度に特化しており、製品開発のすべての側面を網羅できるアプリケーションは限られています。従来のフローでは各工程が個別ツールに分かれ、手動での受け渡しが必要でした。最新のEDA設計自動化では、単一のデータモデルでこれらを統合し、接続情報、制約、ライブラリ、製造出力をすべて1つのプロジェクトから生成します。

電子設計で一般的なEDAツールとは？

電子設計自動化ベンダーは、大きく3つのカテゴリーに分かれるツールを提供しています。

1. エントリーレベルおよび低コストツール
   • CircuitMaker は、Altium Designerに非常に近いツールセットを備えた無料プラットフォームを提供し、Altium 365上の無料個人ワークスペースも含まれます。
   • KiCad は、回路図、PCB、基本的な3D機能を備えた高機能なオープンソーススイートです。教育用途、ホビー用途、初期段階のスタートアップで利用されています。
   • EasyEDA などのブラウザベースツールは、クラウド上で回路図およびPCB設計を提供し、低コスト製造サービスと連携していることが多いです。
2. プロフェッショナル向け環境
   • Altium Develop は、Altiumプラットフォーム上のフラッグシップソリューションであり、プロフェッショナルなPCBチーム向けです。非常に大規模な設計、高度な制約管理、自動車・航空宇宙・医療製品に必要なサプライチェーン統合をサポートします。
   • Cadence OrCAD、Siemens PADS、Zuken CR-8000 も、回路図作成およびレイアウト機能に加え、オプションの解析モジュールを備えたプロ向け設計ツールです。
3. エンタープライズプラットフォーム
   • Altium Agile は、Altium Developの中核機能を含み、エンタープライズデータ管理領域へ拡張します。高度な管理機能はクラウドまたはオンプレミスで利用可能です。
   • Cadence Allegro や Siemens Xpedition は、大規模設計をサポートするより高度なプラットフォームです。

初心者やホビーユーザーは、無料で利用できるKiCad、EasyEDA、CircuitMakerから始めることが一般的です。基板の複雑さやコンプライアンス要件が高まるにつれ、量産チームはAltium、OrCAD、PADS、またはより高度なエンタープライズプラットフォームへと標準化する傾向があります。

EDA設計自動化は他ツールと統合できますか？

成功するハードウェアプロジェクトには、すべての段階で電気、機械、調達／製造間の連携が不可欠です。効果的なEDA設計は、製品データ管理（PDM）、製品ライフサイクル管理（PLM）、機械CAD（MCAD）、解析ツールとの緊密な統合を前提としています。

ECADとMCADの統合

3次元フォーマットおよびECAD–MCAD連携により、基板外形、キープアウト、部品ボディ、リジッドフレックス領域、マルチボードアセンブリの共有が容易になります。Altium Developでは、MCAD CoDesigner を通じてECAD–MCAD連携がコア環境に組み込まれており、PCBチームと機械チームは手動でファイルをやり取りすることなく変更を共有でき、双方が同じリビジョン履歴を確認できます。

PLMおよびPDMとの統合

PLMおよびPDMシステムは、部品、部品表（BOM）、およびリビジョンの正式な記録システムとして機能します。EDA設計ソフトウェアがPLMと統合されている場合、構造化されたBOMデータを公式記録へ送信し、特定の設計リビジョンにリリースを関連付け、エンジニアリング変更要求を進行中のプロジェクトと整合させることができます。Altiumプラットフォームでは、Altium Agile がワークフロー自動化、ガバナンス、PLMやJiraなどのエンタープライズシステムとの高度な接続を提供します。

シミュレーション、製造、およびテスト

先進的なEDA環境は、信号／電源インテグリティ解析ツール、ネットリストベースのテストシステム、外部の製造性設計（DFM）ツールとも統合されています。

EDA設計自動化ツールの主な機能とは？

PCBエンジニアリング向けのEDA設計ソフトウェアの多くは、共通の基盤を共有しています。注目すべき主な機能は次のとおりです。

1. 統合設計データベース
   回路図、PCBレイアウト、3Dモデル、製造出力は、単一の基盤となるプロジェクト表現を共有します。これはAltiumプラットフォーム上のAltium Developの中核であり、すべてのビューと出力が同一データから生成されます。
2. 制約管理およびルールエンジン
   ルールはネットクラス、物理的クリアランス、インピーダンスおよび配線長ターゲット、ビア使用、差動ペア、製造上の制限を対象とします。制約システムは回路図とレイアウトの両方にこれらを適用し、ルールチェックによって準拠を自動検証します。
3. 統合シミュレーションおよび解析
   回路図レベルのシミュレーションと、レイアウトを考慮した信号インテグリティ（SI）および電源インテグリティ（PI）解析により、製造前に機能および電源分配の問題を特定できます。
4. インタラクティブおよび支援型配線
   配線エンジンは制約を適用しながら効率的なワークフローをサポートします。多くの場合、ガイド付き差動ペア配線、配線長調整、高度なビア戦略、場合によっては自動支援機能が含まれます。
5. 3次元可視化およびECAD-MCAD機能
   3D基板ビューにより、高さ、クリアランス、リジッドフレックス動作を検証できます。Altium Developでは、3DビューがPCBエディタと緊密に統合されており、詳細な2D編集と完全な3Dアセンブリ表示を切り替えることが可能です。
6. DFxおよび製造ドキュメント作成
   DFxツールは製造性やテスト容易性を解析し、EDAツールはGerberまたはODB++ファイル、ドリルデータ、スタックアップ図、組立図、実装データなどの製造・組立出力を生成します。これらのドキュメント生成機能は、外部アドオンを必要とせず、Altium Developに組み込まれています。
7. ライブラリ、データ管理、およびコラボレーション
   中央ライブラリ、クラウドワークスペース、リビジョン管理、レビュー機能、APIにより、チームは部品やプロジェクトを大規模に管理できます。Altium DevelopおよびAltium Agileを通じて提供されるAltiumプラットフォームは、このアプローチの代表的な例です。

EDA自動化は電子設計プロセスをどのように改善するか？

EDA設計自動化は、PCBライフサイクルを変革します。重要なチェックを前倒しし、設計意図と実装の整合性を保ち、データの乖離を削減します。

重要なチェックを前倒しする

電気ルールチェック、初期段階でのシミュレーション、制約設定により、品質確保の作業をプロジェクト初期に組み込みます。設計者はレイアウト確定前にアーキテクチャや部品選定を検証でき、後工程での手戻りを減らします。

設計意図と実装の整合を維持する

制約システムは、要求仕様およびアーキテクチャ段階で合意されたルールが配置や配線に確実に反映されるようにします。Altium Developでは、同一のルールセットが回路図、PCB、製造出力に適用されるため、電気的意図と物理的実装の一貫性が保たれます。

手動変換とデータ乖離を削減する

MCAD、PLM、製造システムとの緊密な統合により、手動でのデータ出力や再入力が削減されます。BOMやドキュメントは信頼できる設計データベースから生成され、クラウドベースの共有機能によって常に最新リビジョンが維持されます。

EDA環境の選定と標準化方法

これらの利点を継続的に得るには、統合フローをサポートするEDA設計環境が必要です。評価時には次の点を検討してください。

1. 基板の複雑さ、性能目標、規制要件
2. チーム規模、地理的分散、コラボレーション要件
3. MCAD、PLM、外部解析ツールとの統合要件
4. 単一の統合アプリケーションを好むか、モジュール構成のツール群を選ぶか

Altium Discover、Altium Develop、Altium Agileを通じて提供されるAltiumプラットフォームは、単一の設計インターフェース、強力な3DおよびECAD-MCAD機能、統合された製造出力、そしてコラボレーションとライフサイクル管理のためのクラウド基盤を組み合わせています。他のEDAツールでも同様の要件を満たせる場合がありますが、特に大規模企業では複数のデータベースやツールチェーンへの依存度が高くなることがあります。

多くのPCB組織にとって現実的なアプローチは、要求仕様、回路図、シミュレーション、レイアウト、検証、リリースまでを1つの環境でカバーするEDAプラットフォームを選択し、共有ライブラリと制約を構築し、機械系およびデータ管理システムと統合し、プロジェクトごとのスピン回数、初回パス歩留まり、回路図凍結からリリースまでの期間などの指標を追跡することです。これらの数値が四半期ごとに改善していれば、EDA自動化戦略は機能しています。

よくある質問

1. PCBエンジニアリングにおけるEDA設計とは？

PCBエンジニアリングにおけるEDA設計とは、電子設計自動化ソフトウェアを用いて、要求仕様取得、回路図作成、シミュレーション、PCBレイアウトおよび配線、検証、製造リリースまで、基板のライフサイクル全体を管理することです。目的は、これらの工程を個別ツールではなく、単一の制約駆動型環境で管理することにあります。

2. EDA設計ソフトウェアはPCB設計プロセス全体の中でどのような役割を果たしますか？

EDA設計ソフトウェアはPCBワークフローの中核です。製品および電気要件を回路図に変換し、シミュレーションで動作を検証し、物理基板を実装し、電気および製造ルールに基づいてチェックし、共有プロジェクトおよびライブラリから製造・組立出力を生成します。

3. Altiumは他の主要なEDAツールと何が違いますか？

Altiumは、Altiumプラットフォーム上で3つの連携ソリューションを提供します。Altium Discoverはソリューションおよび部品探索向け、Altium Developは主要なPCBおよびシステム設計環境、Altium Agileはエンタープライズワークフローおよび統合向けです。これらにより、回路図、PCBレイアウト、3D、制約、サプライチェーン情報、ドキュメントを1つのコンテキストで管理でき、複数ツールの組み合わせを最小限に抑えます。

4. エントリーレベルツールからプロ向けEDA環境へ移行すべきタイミングは？

基板が高速化・高密度化・高規制化し、リスピンが増え始めた場合、プロ向けEDA環境が必要になります。Altium DevelopのようなプロフェッショナルEDAソフトウェアは、より強力な制約管理、優れた3D統合、堅牢なドキュメント機能、緊密なコラボレーションを提供します。

5. MCADおよびPLMと統合されたEDA設計ソフトウェアの利点は？

EDA設計ソフトウェアがMCADと統合されることで、機械系と電気系チームが同一の形状および部品モデルを共有できます。PLM統合により、BOM、部品データ、リビジョンがエンタープライズの公式記録システムへ反映されます。Altiumプラットフォームでは、Altium Developが日常的なECAD-MCAD連携を担い、Altium Agileがデータ管理、PLM接続、ハードウェアワークフローを担当します。

6. 高速または複雑な基板向けにEDAソフトを評価する際、優先すべき機能は？

制約管理と解析機能を最優先してください。ネットクラス、インピーダンス制御、配線長マッチング、差動ペア、ビアルール、製造ルールへの強力な対応に加え、実際のレイアウトと連動した信号・電源インテグリティ解析が必要です。Altium Developのような統合環境は、これらの制約を一貫して適用・検証するのに役立ちます。

7. クラウドベースのコラボレーションはPCBチームのEDA活用をどう変えますか？

クラウドベースのコラボレーションにより、PCB設計は共有ワークスペースへと進化します。プロジェクト、ライブラリ、出力は常に最新の状態で適切なメンバーがアクセス可能になります。Altiumプラットフォームでは、Altium DevelopおよびAltium Agileがブラウザベース表示、アクセス制御、統合コメント機能を提供し、メールによるファイル送付を削減し、分散チームの連携を強化します。

8. Altiumのような標準化されたEDA環境への移行はどのように計画すべきですか？

実践的な方法として、パイロットプロジェクトを選定し、成功指標を設定し、新環境で共有ライブラリと制約テンプレートを構築し、チームをトレーニングしながらワークフローを改善していきます。Altiumプラットフォームに標準化すれば、この基盤を一度構築するだけで複数製品に再利用できます。既存のAltiumユーザーは、すでに設計をホストしている同一プラットフォーム上でDiscover、Develop、Agileへ移行できます。