最適なPCB設計ルールシステムで、基板をエラーのない状態に保つ

ECADソフトウェアは、設計およびレイアウトツール上でPCB設計ルールと制約を強制することで、設計者が適切な設計を行えるようにします。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、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。長年にわたり、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に2つの形式を発展させてきました。1つはカテゴリベースの入力システム、もう1つは制約を定義するためのマトリクスベースのシステムです。

どちらの形式も有効であり、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。どちらの仕組みを使うにしても、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ぶことが重要です。

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設計を可能にするための要件として定義されるもの

これは、設計ルールが生まれる領域の一部を抜き出したにすぎません。なお、PCB設計ルールは単純な電気的機能だけに基づくものではありません。むしろ、ほとんどのPCB設計ルールや制約は製造要件に基づいて定義されます。基板を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）のルールは、業界の技術コンテンツにおいて最も基本的な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設計ソフトウェアによっては「rules」という用語を使い、別のソフトウェアでは「constraints」という用語を使います。実際には、設計ルールと設計制約の間にほとんど違いはありません。この違いは単に、各ソフトウェアベンダーが選んだ語彙の違いです。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われています。

これを踏まえると、PCB design software ベンダーは、一般にルールと制約を次のように区別する傾向があります。

• 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。各ルールは、そのルールがどのオブジェクトまたはネットに適用されるかを決定するスコープ定義とともに設定され、値は専用の設定ダイアログを通じて入力されます。ルールには優先順位を設定できるため、より具体的なルールが一般的なデフォルト設定を上書きできます。
• 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、層、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。このアプローチでは、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またがる値を同時に比較しやすくなります。

実際には、どちらのアプローチでも設計ルールチェック（DRC）の際に同じ幾何学的・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上の好みです。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がユニークなのは、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点です。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的に一覧表示されます。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行われます。

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、Cadence AllegroやMentor Graphicsといった従来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すぐになじみやすいものになっています。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行き来することなく一括編集できます。

Altium DesignerのConstraint Manager

どちらのアプローチでも、設計者は設計仕様を完全に制御でき、これにより製造時の不具合につながる比較的単純な問題を多く防ぐことができます。どちらのアプローチでも主要な設計ルールにアクセスするために、以下の表では役立つ参照手順とアクセス方法を示しています。これらの手順に従うか、Altium Documentationを参照してさらに詳しく学んでください。

PCB設計ルールの種類とカテゴリ

新しい設計に必要となる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、それは次のようないくつかの要因に基づきます。

• 特定の業界標準における推奨値または性能目標
• PCB製造業者の能力仕様書から直接取得
• デバイス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で入力できます。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、銅箔パターン、部品、機械要素、ドリル穴、スロット、およびPCBエッジ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上の各要素が設計ルールおよび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はPCBレイアウトの作成中にエラーを検出し、バッチチェックはPCB内の関連するすべての設計ルールに対して実行されます。

違反が報告されると、設計者は修正の優先順位を付ける必要があり、その結果としてPCBレイアウトに変更が加えられます。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ある場合がほとんどです。

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ようPCBレイアウトを慎重に更新していきます。多くの場合、エラーが解消されるまで設計に細かな調整を数多く加えることになります。たいていは、PCBレイアウト内の各種オブジェクトの位置をわずかに変更したり、配線の引き直しやポリゴン描画の更新を行ったりする作業です。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に適合する、完全にクリーンアップされたPCBレイアウトを完成させます。

DRCゼロ ＝ 不良ゼロなのか？

この質問への答えは、明確に「いいえ」です。

これは、設計者が制御できない、またはPCBレイアウトの影響を受けない不具合原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違反がゼロであっても、設計によってはスタックアップ設計や製造プロセスが製造不良に影響することがあります。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仕様定義に至るまで、PCB設計全体を俯瞰した理解が必要です。

PCBレイアウト以外にある代表的な不具合要因について詳しく知りたい場合は、以下の動画をご覧ください。これらの問題のうち、どれがPCBレイアウト上の選択や、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受けるか、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決まるのですか？

PCB設計ルールは、製造限界、実装要件、SI/PIターゲット、EMI/EMC要件、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で設定される一方、制約は一般に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適用範囲の指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は、レイアウトが定義されたルールや制約に従っているかどうかを検証します。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に製造不良は一切発生しないという意味ですか？

いいえ。DRCに合格することは、レイアウトが定義されたルールに従っていることを意味するにすぎません。不具合は、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。