ソートリーダーシップ

Thought Leadership 多層PCB設計の『パーフェクト・ワールド』を見つける私はずっとクリント・イーストウッドの大ファンです。20世紀の都会にいた私としては、ダーティーハリーが銃を少々使いすぎだという印象がありましたが、名無しの男のほうは手に負えない無骨さが時代にぴったりとマッチしていました。言うまでもなく、私は彼がごろつきを打倒したり、やくざ者よりも先に銃を抜いたり、女性を射止めたりするのをいつだって応援していましたが、最も興味をそそられたのは、彼が何でもあっという間に決断を下すことでした。もちろん、結果はそのときどきで違います。良いときもあれば悪いときもあります。それどころか、かなり悲惨なときもあります。 PCBの設計でも、多層PCBを選択するかどうかによって結果が変わります。多層PCBを無用に使用する設計者は大勢いますが、それによって設計が複雑になったり、製造コストが上がったり、現場での修正や修復が実質的に不可能になったりします。名無しの男が登場する大半の映画の筋書は、善人に対する悪人のむごい仕打ちや卑劣な行為から始まり、ヒーローが悪を正してエンディングを迎えます。この筋書きに沿って、PCBの設計と開発を失敗させ得る要因と、多層PCBを使用するかどうかの決断に組み入れるべき要素について見ていきましょう。多層PCBのハートブレイク・リッジ／勝利の戦場 PCB設計の観点から見ると、多層PCBはつい使いたくなってしまうものです。結局ところ、「小さければ小さいほうがよい」という考え方は現在の電子設計全体に広がっているようです。ただし、小さいことが設計の主な検討事項でない限り、その罠を避けるべき大きな理由があります。その例をご紹介しましょう。設計の複雑性: 多層PCBを設計する際は、すべてのスルーホールやビアを正しく整列させることが不可欠です。ここにミスがあると電流に影響が及び、取り付けに関する問題が発生することがあります。また、奇数のレイヤーや厚さの異なる内層を使用すると、基板の湾曲やねじれが生じることがあります。この場合は基板が取り付け不可能になったり、テスト用に格下げされたりします。これはまずい事態です。さまざまな種類の信号が多層PCBで配線される通信アプリケーションでは、一致しないインピーダンスやクロストークが原因で性能の問題が発生する場合があります。これもまずい事態です。製造コストの増加: 多層PCBの製造には、他の基板よりもはるかに高額なコストがかかります。必要になる材料も時間も増えるうえ、技術者は高度な技能を持っていなければなりません。レイヤー数を2つから4つに増やしただけで、製造コストが100%増加することもあります。これはまずい事態です。ベンチの修復が困難または不可能: 製造プロセスでも見られるように、小さなエラーは発生するものです。レイヤー数が奇数であったり、レイヤーのサイズが異なっていたりする基板の場合は、これが特にあてはまります。通常、シングルレイヤー（またはダブルレイヤー）のPCBでは、こうしたエラーを容易に修復して基板を使用できる可能性があります。ところが、内層に問題がある場合は修復が実質的に不可能で、基板は使い物になりません。これはまずい事態です。見落とされてしまうことがあるもう1つの問題は、レイヤーの増加による熱の上昇です。これは、製品を現場でしばらく稼働させないと表面化しません。製品が機能停止にいたるほど問題が深刻な場合は、Recall（リコール）、Redesign（再設計）、Remanufacture（再製造）の「3R」になってしまいます。これは悲惨な事態です。おわかりのように正しい選択をしない限り、多層PCBは重大な問題を引き起こす原因になります。ただし、長所もあります。選択と設計のプロセスについて慎重に検討すれば、クリント・イーストウッドのようにさっそうと夕陽の中へ去って行けるでしょう。

Thought Leadership PCBの実装図を作成して設計の意図を明確に伝える「一部、組み立てが必要です」この文言は、買ったばかりのものに心を躍らせていた人を恐怖に陥れます。実は、私にもそんな経験があります。それは、子どもたちへのクリスマスプレゼントとして購入したサッカーのテーブルゲームでした。サイズが大きかったために、私はゲームを箱に入れ、クリスマスイブの夜遅くまでガレージに隠しておきました。「それほど難しくはないはずだ」そう高を括った私は、子どもたちがベッドに入ってから、テーブルゲームを組み立て始めました。何杯ものカフェインを摂取し、指の節に痣を作り、部品を失くし、私を「行儀の悪い人リスト」に載せてしまうようないくつかの罵りを口にしながら、夜が明ける直前になってようやくベッドに入りました。クリスマスの朝の家族写真には、テーブルゲームで楽しそうに遊ぶ子どもたちと、もう1杯のカフェインにしがみつくゾンビのような父親が写っていました。組み立てが必要になるものはたくさんありますが、PCBの世界では実装が必ず必要になります。設計者は部品の配置やトレースの配線中に、実装について常に考えているわけではありません。ただし単純な事実は、設計者が設計したものを誰かが実装しなければならないということです。そこで必要になるのが、製造業者に基板の実装方法を伝えるための実装図です。これまでに実装図を作成したことがない場合は、この投稿を入門として活用できます。ご安心ください。これは分厚いマニュアルではありませんし、幼稚園に通う私の子どものお絵描きのような設計の見取り図も含まれていません。ここで必要になるのは、実装図のさまざまな要素のほか、PCBのレイアウトツールが実装図の作成にどう役立つのかについて理解することだけです。一番よいところは、ここに含まれる情報が読んでいただくものであり、実際の実装は必要ないという点です。 PCBの実装図には、部品の外形やデジグネータなどの要素が記載される PCB実装図の項目連携する製造業者にとって使いやすく正確なものにするために、実装図は複数の形態で作成できます。設計中はPCBが実際にどのようになるのかについて、必ず実装図で製造業者に伝えるようにします。自分が連携している製造業者に留意することは重要ですが、大半の実装図に共通する下記の基本的な要素を理解しておく必要があります。実装図の形式: CADシステムには、図面の形式が自動的に生成されるものと、個別のライブラリーの形状として図面を手動で作成する必要があるものがあります。いずれを使用する場合も、形式と設計データベースを組み合わせて実装図を作成することになります。基板外形: 製造図と同様に、基板外形を表示します。基板のサイズに応じ、画像を縮尺して実装図の形式に合わせたり、画像を拡大して詳細を表示したりすることができます。部品の形状: 基板外形内には、基板に半田付けされるすべての部品の形状とそれらのデジグネータを含めます。機械部品: 取り付け工具を使って基板に配置する機械部品も表示します。こうした部品は標準的なPCBフットプリントではないかもしれませんが、形状を個別に追加または描画しなければならないことがあります。機械部品の例としてはejector handleが挙げられます。これは電気部品ではないため、回路図に表示されない場合もありますが、実装図と部品表には含める必要があります。実装の注記: 基本的な実装の詳細、業界の標準や仕様に関する参照、特別な要素の位置が記載される指示の一覧です。識別ラベルの位置: バーコードや実装タグなどの識別ラベルは、実装の注記に含まれる特定のラベルへの参照や描画ポインターを使って含めます。

Thought Leadership PCB設計のレシピに従う: PCBの製造図数年前、私は妻の誕生日にクレームブリュレを作りました。妻は呆然としていました。なにしろ、その時の私にできた料理といえば、ゆで卵と焦げたトーストくらいだったからです。実際に作ってみる前にはいくらか時間をかけて、わかりやすい作り方が書かれたレシピを手に入れました。そのレシピを手にひとつひとつの工程を進み、その日のヒーローになるために調理しました。後になって考えてみると、失敗しても失うものはそれほどありませんでした。がっかりはするかもしれませんが、クレームブリュレがなくてもお祝いはできるのですから。PCB製造の世界ではそうはいかず、はるかに多くの危険が潜んでいます。不適切な基板はコストを跳ね上げるどころか、設計者の職まで危険にさらされる恐れがあります。基板が自分の手から離れたら、後は製造業者を信じるしかありません。無条件に信用したくないのなら、製造図に明確な指示を記載して、製造を成功させるようにしなければなりません。不完全な製造図は、製造プロセスを遅らせるだけでなく、基板の製造を取り消す原因にもなります。基本的な材料がないと料理が始まらないように、製造図もに基本的な材料が必要です。設計している基板に独自の要素を追加するのはその後です。優秀な料理人が調理道具を巧みに使って絶品を作るように、基板の設計でCADツールを使って作業を進める方法をご紹介します。手遅れになることがないよう、オーブンを開けて、料理がどうなっているのか確かめてみましょう。製造ラインから実装に送られるPCB PCBの実装図：基本的な材料クレームブリュレの基本的な材料は卵、クリーム、砂糖だけですが、製造図に含める基本的な指示も必要なものだけに減らすことができます。製造図を使って直接伝える必要のある最も重要な指示は下記のとおりです。基板外形: 製造業者が製造する必要のある、長穴やカットアウトなどの要素を含むPCBの外形です。ただし、これは基板の実装図ではないため、長穴やカットアウトを使用する機械的な要素を含める必要はありません。ドリル穴の位置: 基板のすべてのドリル穴は、独自のシンボルを使って、基板外形の中に示す必要があります。製造業者は設計者が送ったドリル用ファイルを使って実際の穴の位置を確認するものの、ここではドリルシンボルを参照用に含めます。ドリル図: 「ドリルスケジュール」とも呼ばれるこの図では、穴の完成サイズと数量にそれぞれのドリルシンボルを追加します。これにより、製造業者は製造図に含まれる穴のサイズを簡単に把握できるようになります。寸法線: 製造図には寸法線を追加し、基板の全体的な長さと幅を示したほうがよいでしょう。また、すべての長穴、カットアウト、その他の固有の基板外形の位置やサイズについても寸法線を含めます。レイヤースタックアップの図: これは実際のレイヤースタックアップが表示される基板の側面図です。ここでは、基板のレイヤーの構成や幅のほか、レイヤー間のプリプレグやコアを詳細に示すためにポインターを使用します。製造の注記: これは、製造図に文章で記載する実際の製造指示です。ここには、基本的な製造指示、業界標準や仕様の参照、特別な要素の位置などを記載します。製造の識別情報

Thought Leadership スマートな設計を可能にするPCB設計ソフトウェアのインテリジェントな配線機能手間を省きながら仕事を終わらせる方法を見つけようとして、考え込んでしまうときがあるものです。私は初めての仕事で、お気に入りのアプリケーションを音声コマンドで自動的に起動するソフトウェアを作りました。その後は特別なプログラムをコード化し、ボタンを1回クリックするだけでレポートをメールで送ったり、アプリケーションを閉じたり、コンピューターをシャットダウンしたりできるように進化させました。私が初めてPCB設計を手掛けた頃、利用できたPCB設計ソフトウェアは初期のものでした。当時のソフトウェアには自動配線機能が搭載されていましたが、私は使い方をよくわかっていませんでした。1日の終わりに使うアプリのように、ボタンをクリックしてお茶でも飲みに行けば、戻ってくる頃には製造にリリースできるPCBが出来上がっているものだと考えていたのです。ところが、どうでしょう。返された結果はとんでもない配線で、何時間もかけて設計をやり直すはめになりました。もちろん、楽しいものではありません。それからの10年間、PCB設計ソフトウェアの修正と改良は何サイクルも繰り返されました。現在のインテリジェントな配線機能は、従来のものよりはるかに高度になっています。もう1つの改良点は、ハードウェア技術者が蓄積してきた知識と経験を活用できるようになったことです。従来のPCBソフトウェアは、技術者の技術や洞察力を活かせるようには設計されていませんでした。一方で、現在のPCB設計ソフトウェアを適切に使用すると、ハードウェア技術者の貴重な時間を節約しながら設計を完成させることができます。現状維持の姿勢に陥ることなくPCB設計ソフトウェアのインテリジェントな配線機能を活用するための4つの主なツールをご紹介しましょう。 1．コンポーネントオートプレーサーコンポーネントオートプレーサーは、すべてのコンポーネントを系統的に配置できる優れたツールです。大半のコンポーネントでこのツールを使うだけで配線できるのは何とも魅力的です。実際のところ、単純な設計では大きな問題が発生することはないでしょう。ただし、複雑な設計ではモジュールに応じてコンポーネントを分離しないと、ノイズのあるコンポーネントとアナログ回路の間でクロスカップリングが発生する可能性があります。この場合、コンポーネント間と配置済みのシステムで汚染が発生し、分離された相互作用が問題のある障害へと姿を変えます。コンポーネントの配置では、熱の生成や感度のほか、信号の方向や方位など、いくつかの要素を考慮しなければなりません。これらの要素を踏まえてオートプレーサーを使用できる場合もありますが、もっと重要なのはオートプレーサーと両立することです。つまり、オートプレーサーはコンポーネントの配置を補完するために使用するべきでしょう。 2．オートルーターインテリジェントに問題を解決しながらスマートに配線する自動配線機能に仕事を任せることに失敗した後、私はインテリジェントな配線ツールを使用することにしました。そのおかげで、「配線不可能」な基板の配線で数え切れないほどの時間を節約できるようになっています。多くの場合、配線不可能な原因は、必要な接続の数に対応できないくらいサイズが小さいことです。この場合は、オートルーターで簡単なテストを実行して時間を節約します。具体的には、最初の2回のテストで配線ができるかどうかを確かめます。その結果、配線ができないようなら、コンポーネントを修正するか、PCBのサイズを大きくします。このテストを手動で実行すると、貴重な時間が無駄になる可能性があります。さらに悪いのは、オートルーターを起動する前に設計を始めてしまうことです。この場合、設計に何時間も費やした後で、そのサイズでは配線できないことが判明する恐れがあります。自動配線のおすすめの使用方法の1つは、手動のインタラクティブ配線と並行してオートルーターを使用することです。ここでは手動で、電源、高速通信、アナログ信号から開始します。その次に差動ペアを配線してから、自動配線ツールを使って残りの信号を完成させます。事前に配線されている重要なトラックが、自動配線された信号によって変更されないようにしてください。 3．複数のペア配線と差動ペア配線複数のペア配線と差動ペア配線は、銅箔の長さを等しくして並行に維持するための優れたツールです。信号を1つずつではなく、一連の信号を同時に配線できるため、貴重な時間を節約できます。このツールはインテリジェントではあるものの、差動ペアや複数のペアの信号が他の高速信号やアナログ信号のそばに配線されないようにするのは設計者の仕事です。複数のペアや差動ペアの配線は、エンジニアリングの洞察に置き換わるものではなく、道具箱に入っている道具だと考えてください。 4．デザインルールチェックおそらく、人的ミスをなくすのに最も役立つツールはデザインルールチェック（DRC）でしょう。このチェックでは配線エラーがハイライト表示され、発生場所が拡大されるため、すぐに修正を行うことができます。優れた機能ではあるものの、PCBの成功事例を踏まえると、チェックを実行しただけで満足するわけにはいきません。もちろん、ネットの接続漏れやクリアランスの制約違反などのミスを除外するのには役立つものの、機能と経験を組み合わせれば、 GNDループやGNDプレーンの配置の誤りといった問題も特定できるようになります。結局のところ、技術者の設定によってDRCの効果は異なってきます。近道を使えるのは、やっていはいけないことを把握している場合だけ

Thought Leadership マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール楽しい時間は早く過ぎると人は言います。私がマルチボードPCBを設計しているときに、時間がなかなか過ぎないように感じるのはそのせいかもしれません。 EMIの回避、すべての正しい接地、静電放電の軽減、配線の最適化などを考えると、単一基板の設計でさえ大変なのに、物理的にも電気的にもすべてを適合させなければならないPCBシステムの設計となると、苦痛の限界が試されているように感じるときもあります。ところが幸いなことに、マルチボードの回路図の作成を懲罰から楽しみに変えてくれるツールが登場しています。このツールには基板間の接続、MCADインテグレーション、モジュールの組織化という全般的なPCB設計に役立つ3つの機能がありますが、これらは特にマルチボードのPCBに有用です。まず、基板間のルールチェックは悪夢のような作業になるばかりでなく、基板を台無しにしてしまう可能性もあります。ところが、このツールを使用すると、異なる基板全体でのトレースの接続が単純化され、土壇場の変更があったときにも大いに役立ちます。次に、インタラクティブなモデルによって煩わしいクリアランスチェックが容易になり、すべてを整合させて筐体に収めることができます。最後に、モジュールの組織化では、過去に設計した基板やコネクターを使って、新しい回路を作成できます。 MCADとの統合使っているプログラムに3Dモデリングツールを組み込んだところで大したことはないようにも思えますが、実際には設計プロセスに大きな違いをもたらすことができます。PCBのモデリングにMCADを使用することで、巨額なコストにつながるミスを回避できるほか、試作や製造に基板を安心して送れるようにもなります。別の場所にいる機構技術者が使っているツールがご自分の手元にあれば、基板を設計する方法が激変するでしょう。それがどのように実現するかを見ていきましょう。 3Dクリアランスチェック基板を設計した後に試作品が高額になったり、製造の工程で基板が筐体に収まらなかったりしたことはありませんか? 私は一度そのような経験をしましたが、それは試作に送る直前に電解コンデンサーを設計に追加したときのことでした。後になって、クリアランスの計算が少し間違っていたことがわかったため、機構技術者に設計データを送ってモデリングとチェックをしてもらってから、モックアップに戻しました。製造の工程でそのようなミスが見つかってしまったら、上司に何と説明すればよいでしょう。クリアランスチェックはリスクが高くなりますが、特にマルチボードのPCBの場合はそれが顕著です。非常に高額な3Dパズルのようにすべてを適合させ、それを筐体に収める必要があります。筐体は社内のスタッフが設計する場合もあれば、そうでない場合もあります。私は自分のことを出来の悪い設計者だとは考えていませんが、使っているシステムの3Dモデルがなければ、気付きにくいミスをしてしまうでしょう。いつでも可能なモデリング今では大半の設計者が基板のコンピューターモデルを使っていますが、それらを構築するのは設計者ではなく、通常は機構技術者の仕事です。とはいえ、別の人に変更を何度も送ることなく、設計者自身がモデルを作ってクリアランスチェックができるとすればどうでしょう? これは、MCADプログラムを勉強して文字通りにすべて自分で作業をする、という意味ではありません。私が言いたいのは、回路基板ソフトウェアに仕事をしてもらうということです。これを実現するのは、高度に統合されている優れたMCADツールです。現在では、個々のコンポーネントの3Dモデルを生成し、すべての要素を含む基板のモデルを作成できるツールが提供されています。高度なツールであれば、筐体の3Dモデルをインポートし、クリアランスチェックを実行できるものもあります。こういった機能があれば、誰かを間にいれることなくMCADを自分で進めることができます。たとえば、電解コンデンサーが適合しているかどうかも、ボタンを数クリックするだけで確認できます。基板間のエレクトリカルルールチェックエレクトリカルルールチェックはソフトウェアによって自動的に基板レベルで実行されるため、通常はそれほど面倒なものではありません。とはいえ、接続が複数の基板にまたがる場合、接続を追跡するのはほぼ不可能です。システム全体をチェックし、電気的にも機械的にもすべてが適合しているかどうかを確認できるプログラムはごくわずかです。これが可能なツールでは、さまざまな基板にまたがってルールチェックを実行できるため、設計中のすべての準備を整えることができます。また、筐体の変更や他の外部的な要因によって、PCBで大幅に接続を修正しなければならない場合の再設計にも大いに役立ちます。開発中のエラーチェック