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3D PCB設計はなぜ必要なのか? 設計者にとってどう役立つのか? 3D PCB設計はなぜ必要なのか? 設計者にとってどう役立つのか? 1 min Thought Leadership 先日、幼い男の子を肩車しながらあやしている若い父親を見かけました。父親にしっかりと支えられた男の子は、父親の顔を別の角度から見ようとして体を横に動かそうとしています。愛くるしい男の子はようやく父親の顔を左側から覗きこむことができました。そして、父親の髪をもてあそんだかと思うと、また右側に体を戻したのです 。 そんな微笑ましい瞬間を楽しく観察していましたが、それと同時に重要なことを思い出しました。男の子は父親の顔をなんとかして違う角度から見ようと、何度も視点を変えました。PCB設計者の私たちも同じように、設計をできるだけ多くの視点から確認したいと考えます。これまでは2DのCAD環境で作業するしかありませんでしたが、現在は3Dの設計環境が利用できるようになってきました。こうしたツールを使って設計を進めない手はないでしょう。 PCB設計を3D環境で進めることには多くの利点がある 3Dの利点と従来の2Dでの設計 私は、ディスプレイ装置を作っている会社でPCB設計者としてのキャリアをスタートさせました。当時はUNIXベースのCADシステムを使っていましたが、作業は2D環境に制限されていました。私が初めて手掛けた設計は、機構CADグループが3Dでレンダリングしてくれました。それは、ブロックの形状だけが表示されている単純なものでしたが、3Dで見る設計には目を見張りました。そんな風に設計を見たのは初めてのことでしたが、今でもその瞬間をはっきりと覚えています。3D環境での作業には、PCB設計者にとってたくさんの利点があります。その一部をご紹介しましょう。 3Dコンポーネントフットプリント: 3Dで表示された設計を初めて見たとき、装置のケースから大きな電解コンデンサーが飛び出していることに気付きました。これはDRCで検出されるはずのものでしたが、どういうわけかチェックをパスしていたのです。そのため、装置の後端が犬の尻尾のように垂れているのを見たときは本当に驚きました。現在のCADシステムでは、こうした問題を検出するためのDRCが標準的な機能になっています。3Dでの作業が可能な今であれば、コンポーネントの寸法についてのフィードバックもリアルタイムで入手できます。 レイヤー構造の可視化: 回路基板のレイヤー構造を3Dで正確に表示できるのは非常に有益です。画像を傾けたり、回転させたり、パンやズームを行ったりして、ビアスタックの状態や周辺の他のオブジェクトとの接続などを正確に確認できます。 3Dでの編集機能: デザインの3D表示は容易で、3Dモードではレイアウトの編集も可能です。回路基板のスタックアップの昇順や降順をインタラクティブに切り替えて、部品の移動、配線の押しのけ、別のレイヤでの配線を行うことができます。 MCADとECADの連携: 3D CADシステムでは、装置のケースなどの設計に メカニカルオブジェクトを追加 することもできます。この機能を活用すれば、ケースに関連する3Dのコンポーネントや他のメカニカルオブジェクトを表示して、これらの要素を対象とする3Dクリアランスチェックを実行できます。 フレキシブル回路 : 3D環境での作業のもう1つの利点は、 記事を読む
最新の製造設備でPCBに基準マークを配置する必要はあるか 最新の製造設備でPCBに基準マークを配置する必要はあるか 1 min Blog PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 設計における基準マークの配置忘れは、ある種の「ホラー」です。 10年前、筆者はホラー映画鑑賞をやめました。若いときは単純に恐怖感を心から楽しみましたが、技術者としてのキャリアを開始するとともに、興味はアクションやSFに移りました。これはおそらく、仕事上の単純なミスが製造後の悲惨な悪夢につながったホラーストーリーを相応に経験していたからだと思います。 筆者が電子機器設計の仕事を始めた頃、 スルーホールコンポーネント が非常に一般的で、 表面実装コンポーネント を目にすることはめったにありませんでした。マイクロコントローラー（MCU）のQFP（Quad Flat Package）が一般的になると、古い プラスチック リードチップキャリア（PLCC） のフットプリントから移行せざるをえませんでした。これは、QFPがPCBに直接実装できる一方、PLCCは追加ソケットを必要としたためです。チップ製造業者が、QFPや類似のパッケージを支持し、PLCCパッケージのMCUの製造を中止するのはもう時間の問題だと思いました。 PCB実装業者から、200枚の生産用基板のMCUを実装できないとの電子メールを受け取ったときに、悪夢が始まりました。スルーホール コンポーネントであるPLCCソケットに慣れていたため、筆者はPCBに基準マークを配置することに思い至りませんでした。基準マークを配置しないということは、狭いピッチでQFPにパッケージされたMCUを全て手作業で実装しなければならないことを意味しました。 その結果、かなりの割合の基板が不良品となり、不完全な手作業によるはんだ付けの欠陥を修正するためにとてつもない時間を費やすことになりました。それ以来、業者から、基準マークなしでも製造できる機械にアップグレードしたとの連絡を受けていても、筆者は設計に必ず基準マークを使用するようにしています。 基準マークを省略すると、ひどい基板ができあがる可能性があります。 基準マークの概要とその製造時の役割 PCB設計において、 基準マーク はpick 記事を読む
複数のデザイン構成にPCB実装バリアントを使用すべき理由 複数のデザイン構成にPCB実装バリアントを使用すべき理由 1 min Thought Leadership 何年も前、筆者は既存の基板からコピーしたデザインを扱っていましたが、問題が1つありました。レイアウト上のいくつかの回路が、技術者が作成した回路図の回路と一致しませんでした。これによって多くの混乱が生じました。最終的には、設計が承認されて製造部門に送られた後で基板に加えられた編集が問題だったことが判明しました。実装バリアントを作成したことで、回路図との同期が失われたと同時に、基板に不用意な変更が行われたのです。手作業で実装バリアントを管理しようとした場合、このような問題が忍び寄ってくる可能性があります。これにより、設計が遅れたり、さらに悪いことには、発覚していないエラーのため不良基板が製造されるかもしれません。 PCB実装バリアントとその必要性 同じ基板を、複数用途のため、実装時に異なる構成にできるよう回路基板を設計することは一般的です。これらの異なる構成は実装バリアントとして知られています。例えば、異なる電圧で動作させることができるよう電源供給を設計するケースがあります。どの部品を使用するか、使用しないか、あるいは変更するかを変えることで、実装時に異なるバージョンの電源供給基板を作成する方法が決まります。 実装バリアント用の回路基板を設計する場合、金属の電気回路構成要素（パッド、トレース、領域フィルなど）が、提案された全ての構成で機能するようレイアウトされることが重要です。このように、異なる構成が全て、未加工の同一基板設計から作成可能です。これにより、設計者の作業負荷を減らすだけでなく、基板製造と在庫の費用を減らすことができます。 各PCB実装バリアントにはドキュメントが必要です 手作業による実装バリアントの作成とドキュメント化 従来、PCB設計者は、複数のバリアントを扱う場合、各基板の実装構成に対応するため、別々のデザイン データベースを作成する必要がありました 。 これは、各実装に専用のドキュメントが必要だからです。 ただし、この方法でも設計エラーが生じる可能性がありました。 各デザイン データベースは、未加工の基板設計を含んでいるので、全てのバリアント データベースにコピーされます。未加工の基板設計のマスターコピーを1つ持つことは優れた設計慣習ですが、そのマスターコピーが各バリアントのコピーに含まれる場合は問題が生じる可能性があります。これは、たとえ偶然でも、未加工の設計がいずれかのバリアントコピーで変更された場合、未加工の基板設計の異なるコピーが作成されることになります。こうなると、どれが正しいマスターコピーか分らなくなる可能性があります。未加工の基板が全ての異なる実装バリアントの基本デザインである場合、これは問題です。何年も前に経験済みですが、変更の結果、回路図とのリンクが切断された場合、状況はさらに悪化します。 最終的には、これらの潜在的な問題と、同じデザイン データベースでの複数コピーの管理は、作業負荷を増やします。未加工の基板が意図的に変更されるたびに、各バリアント データベースに編集内容をコピーする必要があります。これは、時間のかかる作業であり、データベース間でデザインの一貫性を確実に保つために高い集中力が求められます。 PCB実装バリアントにより、同じ基板を異なる用途のために構成できます。 バリアント管理ツールによるプロセスの簡素化 CADアプリケーションのバリアント管理ツールは、1つの基本データベース内で全ての作業を行えるようにすることで、異なる実装バリアントの作成と管理のプロセスを簡素化します。バリアントを作成する際、特定部品を使用する、使用しない、あるいは値を変更するなどを指定することができます。また、バリアント管理ツールにより、実装図面などの出力や部品表を変更して、変更された部品の状態を反映できます。 記事を読む
PCB製造でのシルクスクリーンに関する問題の発生を防止するには PCB製造でのシルクスクリーンに関する問題の発生を防止するには 1 min Blog 1996年のオリンピックをご覧になっていれば、最後まで奮闘したケリー・ストラグ選手のことを覚えていらっしゃる方もいるでしょう。ストラグ選手は足首を痛めた状態で最後となる2回目の跳馬を跳び、アメリカチームに金メダルをもたらしました。彼女が教えてくれたのは、最後までやり抜くことの大切さでしょう。とはいえ、私たちはそれが回路基板設計となると、プロジェクトの最後には気が緩んで油断してしまいがちです。デザインを製造にリリースする前の最後の作業の１つは、基板のシルクスクリーンとデジグネータを調整することです。しかし、この手順が他の設計作業ほど真剣にとらえられていないことは多々あります。その結果、製造業者によってデザインが却下され、修正するよう送り返されてくるケースもあります。今回は、PCBのシルクスクリーンに潜在するいくつかの問題とそれらを回避する方法について見ていきましょう。 ケリー・ストラグ選手のように最後までやり抜く PCBのシルクスクリーンに潜在する問題とは 皆さんのなかには、「問題など起こりようがない」とお考えの方がいらっしゃるかもしれませんが、デザインをリリースする前にシルクスクリーンの最終調整をしなかったことが原因で発生する問題をいくつかご紹介しましょう。 コンポーネントが正しく表示されていない : 意図するコンポーネントがシルクスクリーンで正確に表示されていないと、デバッグや修正を担当する基板技術者の混乱を招く可能性があります。たとえば、関連するコンポーネントが正しく表示されていない形状、誤ったピンの数、誤ったピンに表示されている極性指示がこれにあたります。キャップのプラス側をチェックしたときに、極性指示が逆になっていることを知った技術者がどのような不安を感じるのかについては、皆さんも想像がつくでしょう。 テキストが判読できない : シルクスクリーンのテキストが判読できない場合、基板技術者はデジグネータの確認に余計な時間を費やさなければなりません。多くの場合、これは小さすぎて判読できないフォントサイズや誤った線幅を使用していることが原因です。線幅が小さすぎると基板にうまくスクリーン印刷ができず、逆に線幅が大きすぎると膨張してしまい、同じく判読不能になります。 デジグネータが誤ったコンポーネントに配置されている : デジグネータが誤ったコンポーネントに配置されている場合があります。これは、コンポーネントを移動したもののデジグネータが移動されていない場合に発生したか、設計者側の誤りの可能性があります。いずれにしても、基板のテストを実施する基板技術者は、回路図にあるコンポーネントと一致しないものをチェックすることになります。 実装するコンポーネントでデジグネータが覆われている : 実装する部品の下に配置されているデジグネータは、これまでに嫌というほど見てきました。密集したデザインでは避けられない場合があるものの、なんとかして阻止しなければなりません。デジグネータが見えない状態で「C143」を必死に探している基板技術者の姿を想像してみてください。 シルクスクリーンのインクが金属を覆っている、または穴に流入している : シルクスクリーンのインク が表面実装ピンやメッキされたスルーホールなどの露出金属 記事を読む
電子機器のアクティブ冷却技法の比較 電子機器のアクティブ冷却技法の比較 1 min Thought Leadership 電子機器にとって、冷却は極めて重要です。私がこれを痛感したのは、使っているノートパソコンのマザーボードが溶けたときでした。私は2010年に、グラフィックを多用するビデオゲームを試すため、当時最新のコンピューターを購入しました。その機械は非常に優れたグラフィックカードが搭載されていましたが、熱管理システムが小さすぎました。ゲームを遊び始めたとき、キーボードが触れないほど熱くなったことで、問題があると気付くべきでした。その直後、私のコンピューターは動かなくなりました。コンピューターを修理店に持って行ったところ、内部で何かが溶けていると告げられました。幸い保証期間内だったので、修理代は製造業者持ちでした。もしもこのコンピューターの設計に、もっと強力な冷却システムが組み込まれていたら、この事故は最初から避けられたかもしれません。機械が溶けてしまうような設計をしたくない場合、回路を常に適切に冷却できるよう、各種の冷却技法を検討するのがいいでしょう。選択肢として、ファン、イオン風発生器、圧電性ふいごなどがあります。それぞれの熱管理プロセスには長所と短所があり、アプリケーションに最適な方式を決定するために役立ちます。 最適な冷却 基板が燃えることを防ぐだけでなく、最適な方法で冷却を行うべきでしょう。組み込みシステムや、その他の低消費電力アプリケーションを設計するときは、最も効率的な冷却システムが必要です。また、冷却プロセスが多くの領域を占めたり、多くのメンテナンスを必要としたりするのも望ましくありません。このため、それぞれのシステムの消費電力、サイズ、メンテナンスについて以下で解説します。 この冷却システムはお勧めしません。 ファン 私のノートパソコンが溶けてしまった後で、修理店は発熱を減らすため、グラフィックカードを性能の低いものに交換しました。しかし、依然として私のコンピューターでは過熱状態が発生しました。そこで私は、コンピューターがオンのときにはデスク用のファンを横に置くことにしました。コンピューターに内蔵されるファンについて解説しましょう。 消費電力 - ファンは単純で、初期投資が安価なため、アクティブ冷却方式として最も一般的なものです。しかし、ファンは比較的多くの電力を消費します。低消費電力のPCBを設計する場合、普通のファンによる冷却はお勧めしません。ただし、この規則についてはいくつかの例外、例えばSandia Laboratoriesの Sandia Cooler などがあります。このファンは非常に効率が高く、通常のファンと比べて消費電力を最大 7%削減 できます。 サイズ - サイズの小さい冷却方式が必要な場合、ファンは適していません。ファンは外形が大きく、取り付け用のフレームやモーターも必要となるため、比較的大型の回路用の手法です。 メンテナンス - 記事を読む
WS2812B LEDの設定とインターフェイスの方法 WS2812B LEDの設定とインターフェイスの方法 1 min Thought Leadership 笑いたい気分ですか? こんな話があります。私は数十年の経験を持つ設計技術者ですが、最近のLEDプロジェクトでほとんど絶望しそうになました。私はLEDというものが、制限用の抵抗と電源に接続された発光ダイオードと同様に単純なものだと思っていました。違うでしょうか? 数年前に私がアーキテクチャモデルの照明プロジェクトに従事していたとき、まさにそう考えていました。このプロジェクトでは、ビルディングと周囲をWS2812B LEDで照らすことになっていました。これは、その当時では新しく、一般的なタイプの統合LEDでした。しかし、従来のLEDとは異なり、このLEDを動作させるのは単に電源をオンにするだけでは終わりませんでした。これは、LEDが独自の方法でマイクロコントローラーと接続されるためです。マイクロコントローラーとLEDとの間の通信インターフェイスは単線式ですが、標準のUART シリアルインターフェイスとは異なり、厳密なタイミングが要求されます。リアルタイムプロセッサーを使用してLEDの実行を望む私たちのようなナードの興味を引く以外に、WS2812B LEDは大量の赤、緑、青（RGB） LEDを必要とするプロジェクトに有用です。WS2812B LEDには、ストリップ内のLEDの数にかかわらず、接点が3つしかないため、配線が複雑化することを避けられます。 WS2812Bと従来型LEDとの相違点 私たちのような電子設計者にとって、 LEDという単語は多くの場合、回路図のダイオードのシンボルを想起させます。このシンボルにはいくつかの矢印があり、それが発光ダイオードであることを示します。電子回路の設計において、ほとんどの技術者はアノードとカソードの接続を持つデュアルピンのLEDを使い慣れています。組み込みシステムの設計において、これらのLEDは簡単に制御でき、多くの場合に視覚的なインジケータとして使用されます。 しかし、WS2812Bは一般的なLEDとは異なります。これはRGB LEDで、単一の5050フォームファクタ内で、インテリジェントな制御チップと統合されています。単一ラインでの伝送プロトコルを対応し、LEDのRGB値を制御するため、クロックやデータ信号が最低で毎秒400kbitの速度でWS2812Bへ送信されます。WS2812Bは、LEDの「データ出力」ピンを別のLEDの「データ入力」ピンへ接続することにより、カスケード接続できます。 このため、WS2812Bを点灯するのは、LEDを5VのDC電源へ接続するだけでは終わりません。これを行っても何も起こりません。WS2812B LEDを動作させるには、コントローラーからWS2812B LEDへ有効なコマンドを送信する必要があります。WS2812B LEDの色を変えるのはコマンド1つだけで実行できますが、データパケットを送信するのが複雑です。時間固有のインターフェイスを使用しているため、ロジック0とロジック1のコマンドは対応する方形波パルス長により定義されます。この チュートリアルでは、各パルスの対応する長さについて、視覚的な例で示します。これに対して、従来型のRGB LEDは一定のパルス幅変調（PWM）信号を送ることで、輝度と色を維持します。 クロック信号のデータパラメーターを変調する必要から、十分なコーディング能力と、マイクロコントローラーへの理解が必要となります。ストリップ上の複数のLEDに適用するときは、問題がいっそう複雑になります。参考までに、標準的なWS2812B 記事を読む
Intelは、オリンピックで未来の電子通信技術を披露します Intelは、オリンピックで未来の電子通信技術を披露します 1 min Thought Leadership 編集クレジット: lazyllama / Shutterstock.com 私は、オリンピック観戦が大好きです。各国代表の一流アスリートがお互いに自身のスキルを試す姿は実にエキサイティングです。また、オリンピックは、開催国が自国の手腕を発揮するフォーラムでもあります。2018年のオリンピックで注目を集めるのは参加国ばかりではありません。先日、Intelが オリンピック委員会（IOC）とパートナーシップ を結んだことを発表しました。これにより、Intelは、同社の優れた最新技術を公開できるようになります。公開される主な先進技術は、5Gと機械学習です。多くのハイテク企業が現在これらの技術開発でしのぎを削っています。2018年のオリンピックは、自動運転車、スマートシティー、モノのインターネット（IoT）などを実現するシステムにおける金メダリストの地位を確立する機会をIntelに与えます。 5G Michael Phelpsが北京でいくつもの世界記録を更新した年を、私は決して忘れないでしょう。誰かが人類の速さの限界に近づくのを目にすることは、本当にワクワクします。とはいえ、Intelの5Gへの期待と比較すると、世界記録に関する私の興奮は冷めてしまいます。5Gは、2018年に利用が開始されることになっており、Intelは、5G技術のデモンストレーションとしてオリンピック競技会を活用することを計画しています。 実際のところ、デモンストレーションは、Intelのパートナーシップ契約の発表とともに始まりました。Intelは、契約発表の ライブ配信 に、同社の 28GHz帯の実験基地局 を使用しました。Intelは、この基地局が現在最高3Gbpsの速度を達成できると主張しています。このレベルの速度は、 自動運転車やスマートシティー を可能にします。自動運転車は、 周囲の自動車に接続するため 、5Gの速度が必要になります。また自動運転車は、 クラウドベースの機械学習 記事を読む