PCBとは? コンポーネントの接続による回路の構築

Zachariah Peterson
|  投稿日 October 5, 2020
What is a PCB

PCBは、その機構内にコンポーネントと導体を内蔵した電子回路です。

Altium Designer

専門家を対象とする強力で使いやすい最新のPCB設計ツール。

 プリント回路アセンブリ

コンポーネントと導体を内蔵したPCB

PCBは、その機構内にコンポーネントと導体を内蔵した電子回路です。導体には、銅箔トレース、パッド、ヒートシンク、伝導プレーンが含まれます。機構は、伝導材料のレイヤー間に絶縁材料が積層された構造になっています。全体の構造はメッキされており、非導電ソルダーマスクとシルクスクリーンで覆われて電子部品の位置にレジェンドが付けられています。

PCBは、伝導性のある銅箔層と伝導性のない絶縁材料層を交互に重ねて構築されます。製造の過程で、内側の銅箔層をエッチングして所定の銅箔トレースを残し、回路コンポーネントを接続します。一度、エッチングした絶縁材料を銅箔層に積層し、これを繰り返してPCBが完成します。

全てのレイヤーがエッチングされて積層されると、PCBの外側のレイヤーにコンポーネントが追加されます。表面実装部品はロボットにより自動適用され、スルーホール部品は手動で配置されます。その後、リフロー、またはフロー半田付けなどの手法で全ての部品が基板に半田付けされます。最終的なアセンブリがメッキされた後、ソルダーマスクとシルクスクリーンによるレジェンド付けが行われます。

現在の業界におけるPCBの歴史

PCBとは何かという問いに答える前に、PCBがどこから生じたのかを理解することから始めましょう。何百もの穴を持つHDI設計を実現し、PCBの電子接続がスマートフォンから心拍数モニターやロケットまでのあらゆる機器を動かすようになるまでには、非常に長い歴史がありました。配線基板からフレキシブルPCBまで、さらにはテクノロジーが将来的に実現するものまで、そこに至るプロセスは興味深いものです。

PCB以前の電子回路は、ワイヤを1本ずつ部品に接続して構築されていました。金属部品をワイヤと一緒に半田付けして伝導経路を形成していたので、部品数の多い大型回路には多数のワイヤが含まれていました。ワイヤが多すぎて絡み合ったり、デザイン内に大きなスペースが存在したりすることもありました。デバッグは困難で、信頼性が低下し、多数の部品を手動で半田付けしてワイヤ接続する必要があったため、製造には時間がかかっていました。

 [Properties] パネルでのネットルールの設定

回路図の描画中、レイアウトに対してネットルールが設定されます。

PCB上でネットを使用した部品の接続

PCBで銅箔を使用してネットを配線すると、ワイヤが不要になります。回路図から始めて部品を配置し、基板レイヤーに沿ってピンを接続し、よく考えてネットを配置します。はじめに自動配線を使用し、重要なネットは手動で配線します。Altium Designerの自動配線を使用すると、複数のネットを簡単に配線できます。

回路図内のネット数を考慮してレイアウトの配線要件を決定したら、デザインルールと制約について検討します。

回路図を使用したPCBへのコンポーネントの配置と配線

現在のPCBソフトウェアは、回路と設計用のコンポーネントをPCB上に定義するための回路設計機能を提供しています。PCB設計者は回路図を開き、コンポーネントを仮想基板上に配置します。仮想基板の外形寸法は設計チーム内のメカニカルエンジニアによって指定されています。入念に設計されたGNDプレーンとインピーダンス計画を通じてノイズを軽減するデザインルールに従って、コンポーネントが配置され、配線が実行されます。

フレキシブルPCBから表面実装コンポーネントや手の込んだPCBアセンブリまで、最近の電子製品には非常に多くの要件があります。穴、トレース、材料を体系化された安全な方法で正確に追跡管理するソフトウェアがあれば、製造プロセスは大幅に改善されるでしょう。さらに、設計プロセス全体を通じて回路設計を簡単にデータファイルに変換できれば、電子デバイスのドラフト作成が容易になります。

 [Properties] パネルを使用した配線ルールの設定

[Properties] パネルでの差動ペア配線パラメーターの設定

統合EDAソフトウェア環境を使用した回路からレイアウトへのマッピング

PCB設計者は回路設計者と相談して、コンポーネント配置、レイヤースタック、ネット仕様、ベース素材の選択に関するベストプラクティスを決定します。材料の確保については、調達およびサプライチェーンが関わってきます。ツール内のコンポーネントライブラリには、電気的なパラメーター以外に供給および価格情報が組み込まれています。製造ベンダーが関与しているので、レイヤースタックの素材定義は現実的な製造プロセスと一致します。

フットプリントと寸法の制約を把握したら、Altiumの統合環境を使用してレイアウトに取り込みます。

Altiumの統合環境を使用したPCB設計

PCBは年々、技術集約型の色合いを強める一方ですが、幸いにも、設計ソフトウェアの絶え間ない改善によって設計は容易になっています。PCB設計時に、基板上の穴や、銅箔を貼る位置、半田ペーストの塗布方法を製造業者に正確に伝える方法について悩む必要はありません。基板の層が増えるほど、CADソフトウェアので銅箔基準に対するgold standardの必要性が高まります。

Altium Designerの統合プラットフォームには、PCBの設計と構築に必要な全てのツールが搭載されています。回路設計から製造へのリリース、機構的な寸法と外形の描画、基板レイアウトとコンポーネント フットプリントまで、Altiumは全てをカバーしています。回路図のレイアウト段階でルールを設定し、インピーダンス コントロールのための高速トレースを定義できます。共有ライブラリからコンポーネントを選択できるので、下流工程の成功に向けて、物理的な考慮事項だけでなく電気的な考慮事項を採り入れた選択が可能になります。

 回路設計ツールでの差動ペアの定義

回路設計での命令ディレクティブを使用した差動ペアの定義

PCBツールを統合した回路設計の実現

回路の詳細情報を回路図からレイアウトに移植することを気にする必要はもうありません。PCBとその関連基板、銅箔、穴、レイヤー、トレースは全て、1つの製造プロセスになります。しかし、高精度でわかりやすいソフトウェア出力があれば、このプロセスに関する悩みはなくなります。

Altiumの統合環境にはPCBレイアウトツールが組み込まれているので、設計者は回路図に定義したネットに従うことができます。設計制約をレイアウト設計者に伝えるには、回路設計内のディレクティブを使用します。機構系チームが設計した基板外形は、AltiumのPCBレイアウトツールに簡単にインポートできます。コンポーネントライブラリは、統合設計環境に関連付けられており、環境全体を通じて一貫しています。Impedance calculatorは、回路図に定義された仕様に従います。

Altium Designerの統合環境は、必要な全てのツールを1か所で提供します。はじめに、プロジェクトディレクトリー内の回路図から回路が取り込まれ、ネットが定義されます。ここで設定したルールと制約は、PCBレイアウト環境に移植されるので、設計者は常にレイアウトを把握できます。機構図を統合環境にインポートすることで、基板外形はその原点から開始されます。コンポーネント ライブラリはその場限りにするのではなく、同じ基板に対して異なるEDAツール間で共有されます。コンポーネント ライブラリが全社を通じて関連付けられており、回路設計者は設計サイクルの早い段階ですぐに使用できる部品を選択できるので、製造に向けてリリースされるときまでPCBレイアウトの関連性が維持されます。複雑なネット配線は統合ツールを使用して実行され、インピーダンス計算に使用されます。プレーンは、レイヤー構成マネージャー内に設定されるので、GNDプレーンに隣接するストリップラインに高速信号を配線できます。

PCBをプリント配線板時代に戻すのではなく、困難なPCB作業は、高性能なPCB設計ソフトウェアに任せましょう。Altium Designerは、現在のエレクトロニクス市場で最も優れたPCB設計、および製造ツールです。

 

筆者について

筆者について

Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

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