最高のPCB設計ルールシステムで、基板をエラーのない状態に保ちましょう

ECADソフトウェアは、PCB設計ルールと制約を設計ツールおよびレイアウトツールに適用することで、設計者がルールに忠実であり続けられるようにします。新しい設計に対して設計ルールを作成するのはPCB設計者の責任であり、その最終的な目的は機能性と製造性を確保することにあります。これまでに、主要なECADソフトウェアベンダーはPCB設計ルールを定義するための2つの方式、すなわちカテゴリベースの入力システムと、制約を定義するためのマトリクスベースのシステムを発展させてきました。

どちらの形式も許容され、まったく同じ結果を生み出すことができます。カテゴリベースか制約ベースかという設計ルール定義の選択は、最終的には個人の好みによります。どちらの仕組みを選ぶにしても、PCB設計ルールの定義を完全にコントロールするために必要な柔軟性を備えたPCB設計ソフトウェアパッケージを選択することが重要です。

PCB設計ルールはどこから生まれるのか？

PCB設計ルールを決定づける要因とは何であり、なぜそれが重要なのでしょうか。PCB設計ルールは、いくつかの要件に基づいて定義されます。

• 製造性に関する制約
• 実装に関する制約
• 信号完全性の要件
• EMI/EMC要件
• RF設計を実現するための前提条件として定義される要件

これは、設計ルールが生み出される領域の一部を示したにすぎません。重要なのは、PCB設計ルールが単純な電気的機能だけに基づいているわけではないという点です。実際には、ほとんどのPCB設計ルールと制約は製造要件に基づいて定義されます。基板が製造できなければ設計する意味はないため、製造を考慮した設計（DFM）ルールは、業界の技術コンテンツにおける最も基本的なPCB設計ルールの一部となっています。

PCB設計ルールと制約の違い

PCB設計ソフトウェアの中には「rules」という用語を使うものもあれば、「constraints」という用語を使うものもあります。実際には、設計ルールと設計制約の間に大きな違いはほとんどありません。違いがあるとすれば、それは単に各ソフトウェアベンダーが選んでいる語彙の違いです。これら2つの用語は、ECADソフトウェアでPCB設計ルールを作成する際のユーザーインターフェースに関連して使い分けられています。

これを踏まえると、PCB設計ソフトウェアベンダーは一般に、ルールと制約の違いを次のように整理しています。

• 設計ルールは通常、カテゴリベースのシステム内で定義され、個々のルールは階層化されたカテゴリ（Routing、Manufacturing、Electrical、Placementなど）の下に整理されます。各ルールには、そのルールがどのオブジェクトやネットに適用されるかを決めるスコープ定義が設定され、値は専用の設定ダイアログから入力されます。さらに、より具体的なルールが一般的なデフォルト設定より優先されるように、ルールに優先順位を設定することもできます。
• 設計制約は通常、マトリクスベースまたは表形式のシステム内で定義され、ネットクラス、レイヤー、またはオブジェクトタイプの交点にあるセルへ値を直接入力します。この方式では、すべての制約値が単一のスプレッドシートのような画面に表示されるため、複数のネットやクラスにわたる値を同時に比較しやすくなります。

実際には、どちらの方式でも、デザインルールチェック（DRC）の際に同じ幾何学的および電気的チェックが実行されます。違いは純粋にワークフローの好みによるものです。カテゴリベースのルールは細かなスコープ設定と優先順位付けのロジックを提供し、マトリクスベースの制約は設計全体にわたる迅速な視覚比較と一括編集を可能にします。

Altium Designerは、ユーザーが設計要件と製造要件を、設計ルールとしても設計制約としても完全に指定できる唯一のPCB設計ソフトウェアプラットフォームであるという点で独自性があります。主な方法としては、カテゴリベースのPCB Rules and Constraints Editorを使用し、サポートされているすべての設計ルールカテゴリが階層構造で一覧表示されます。各ルールは個別に設定され、そのルールがどのオブジェクト、ネット、またはネットクラスに適用されるかを決定するスコープ定義が与えられます。

Altium DesignerのPCB Rules and Constraints Editor

Altium Designerには、設計要件を指定するためのマトリクスベースのアプローチを採用したConstraint Managerも用意されています。このインターフェースでは、すべての設計制約が表計算シート形式で表示されるため、Cadence AllegroやMentor Graphicsのようなレガシープラットフォームを含む他のECADソフトウェアプラットフォームのユーザーにも直感的に理解しやすくなっています。マトリクス表示により、設計者はすべての制約値を同時に確認し、ネットクラス間の設定をひと目で比較し、個別のルールダイアログを開かずに一括編集を行うことができます。

Altium DesignerのConstraint Manager

どちらのアプローチを用いる場合でも、設計者は自分の設計仕様を完全にコントロールできるようになり、これによって製造時の不具合につながる比較的単純な問題の多くを未然に防ぐことができます。どちらの方法でも主要な設計ルールにアクセスできるよう、以下の表に参考となる手順とアクセス情報を示します。これらの手順に従うか、Altium Documentationを参照して詳細を確認してください。

PCB設計ルールの種類とカテゴリ

新しい設計に必要な主要な設計ルールは、製品仕様と基板メーカーの能力に基づいて決定できます。一部の設計ルール値は手計算で求める必要があり、その根拠となる要因には次のようなものがあります。

• 特定の業界規格における推奨事項または性能目標
• PCB製造業者の能力仕様書から直接得られる値
• 筐体などに由来する機械的制約
• インピーダンスや配線間隔などの信号完全性に関する制約
• 最小銅配線サイズの計算などに基づく電源完全性要件

単純な設計ルール値は数値として入力できます。これは特に、数値マトリクスを用いる制約管理アプローチで顕著です。最も一般的なのは、銅箔フィーチャ、部品、機械要素、ドリル穴、スロット、およびPCB外形の間のクリアランス値です。

以下の表は、ほぼすべてのプロジェクトに適用される最も一般的なPCB設計ルールの概要を示しています。これらのルールは複数のカテゴリ（配線、製造性など）にまたがっており、新規プロジェクトでルールを定義する際の有用なチェックリストとなります。

PCB設計ルールチェック（DRC）

PCB設計ルールチェックは、PCB上のフィーチャが設計ルールや制約に適合していることを確認するために、自動的に（オンライン）およびグループ単位で（バッチ）実行されます。オンラインチェックではPCBレイアウトを作成している最中にエラーが通知され、バッチチェックではPCB内の関連するすべての設計ルールに対して検証が実行されます。

違反が報告されると、設計者は修正すべき違反に優先順位を付け、それに伴ってPCBレイアウトを変更する必要があります。あらゆる設計の目標はDRC違反をゼロにすることであり、そのためには初回のDRC実行後にPCBレイアウトへある程度の変更を加える必要が生じることがよくあります。

DRC違反をゼロに減らしていくプロセスでは、これらのエラーを解消するためにPCBレイアウトを慎重に更新し、エラーが解決されるまで設計に対して多くの細かな調整を行うことが一般的です。ほとんどの場合、こうしたエラーにはPCBレイアウト内の各種オブジェクトのわずかな位置調整、あるいは一部配線の引き直しやポリゴン描画の更新が含まれます。このプロセスの最後に、設計者は、プロジェクト開始時に定義した制約と整合する、完全にクリーンなPCBレイアウトを完成させます。

DRCゼロ ＝ 欠陥ゼロか？

この問いに対する答えは、明確に「ノー」です。

これは、設計者の管理範囲を超える欠陥要因や、PCBレイアウトの影響を受けない欠陥要因が数多く存在するためです。たとえば、PCBレイアウトにDRC違反が1つもなくても、特定の設計ではスタックアップ設計や製造プロセスが製造欠陥に影響する場合があります。設計に欠陥がないことを保証するには、PCBレイアウトだけでは不十分であり、スタックアップから製造用マスタードローイングの指定に至るまで、PCB設計全体を包括的に理解する必要があります。

PCBレイアウト以外にある一般的な欠陥要因についてさらに詳しく知りたい方は、以下の動画をご覧ください。これらの問題のうち、PCBレイアウトでの選択やECADソフトウェアでの設計ルール／制約の定義によって影響を与えられるものがどれか、ぜひ確認してみてください。

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よくある質問

新しいPCBプロジェクトでは、PCB設計ルールはどこから生まれるのでしょうか？

PCB設計ルールは、製造上の限界、実装要件、SI/PIの目標、EMI/EMCの要求、RF制約、機械的要件に基づいて決まります。配線幅、クリアランス、ドリル径、アニュラリング、ソルダーマスク拡張といった多くの基本ルールは、製造業者の加工能力に直接由来します。

PCB設計ルールとPCB設計制約の違いは何ですか？

違いは主にワークフローにあります。ルールは通常、カテゴリベースのエディターで設定されるのに対し、制約は通常、表やマトリクスに入力されます。どちらもDRC中に同じレイアウト要件を適用できます。

カテゴリベースの設計ルールは、マトリクスベースの制約より優れていますか？

いいえ。カテゴリベースのルールは詳細なスコープ設定や優先順位付けに適しており、マトリクスベースの制約は比較や一括編集に適しています。最適な選択は、設計内容と設計者のワークフローによって異なります。

PCBの設計ルールチェックでは、実際に何を検証するのですか？

DRCでは、レイアウトが定義されたルールおよび制約に従っているかを検証します。クリアランス、配線幅、穴径、アニュラリング、ソルダーマスク、部品間隔、高速配線に関する違反を検出できます。

DRCに合格すれば、PCBに製造欠陥がまったく発生しないことを意味しますか？

いいえ。DRCへの合格が意味するのは、レイアウトが定義されたルールに従っているということだけです。欠陥は、スタックアップの選択、製造ばらつき、不十分なドキュメント、実装上の問題、または不適切なルール値によっても発生する可能性があります。