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PCB設計におけるDRC: 設計の失敗の防止 PCB設計におけるDRC: 設計の失敗の防止 1 min Thought Leadership 私は長年にわたって小さなボートを所有しており、水上での趣味に使用していましたが、いくつかの重要なルールに従う必要がありました。ルールの1つは、ボートを水に浮かべる前に、排水プラグを必ず取り付けるということです。新しいボートをが沈んでしまい、回収するために泳ぐくらいなら、ただ泳ぐため水に入る方がはるかに安くつきます。 ルールは自分たちを保護するためのものだということは、誰でも知っています。しかし、不注意または意図的に、ルールが無視されることもあります。回路基板の設計にも、従うべきルールがあります。さいわい、今日のPCB設計ソフトウェアにはデザインルール チェック（DRC）が組み込まれています。設計者はこれらを使用するだけで十分です。 ルールは設計の失敗を防止するためのものです。 基板のDRC 回路基板の設計のサイズや複雑性にかかわらず、デザインルールのチェックは行う必要があります。特定の設計は非常に単純なため、DRCに時間を費やす価値はないと主張する人もいます。しかし、最も単純な設計でも、予期しない設計違反を見逃したたために、大きな問題を引き起こす可能性があります。DRCにより、設計を製造のため提出する前に、設計の整合性を確認できます。回路基板設計のDRCは、ツールごとに名前や説明が異なるため、基板設計ソフトウェアでレイアウトに対してチェックすべき、いくつかの一般的な要素を以下に示します。 基板のテクノロジーのルール : レイアウトツールでは、設計の各種物理パラメーターの有効性、たとえば物理レイヤーが正しく定義され、重複していないことをチェックできる必要があります。 フットプリント : レイアウトツールは、設計に使用されているフットプリントを個別に、またはバッチモードでチェックできる必要があります。 コンポーネント : レイアウトツールを使用して、コンポーネントが適切なフットプリント用に正しく設定されているかどうかをチェックできます。また、コンポーネントの間隔や位置が正しいことや、グリッド上またはグリッド外、および基板の予想される輪郭内に正しく配置されているかどうかもチェックする必要があります。 ネット : 基板上の電気的なオブジェクト（ピン、ビア、配線、フィル、プレーン）のクリアランスや、他の電気的な制約をチェックするよう、デザインルールを設定できます。 高速 記事を読む
高電圧PCB設計についての検討事項 高電圧PCB設計についての検討事項 1 min Thought Leadership 私は以前、高電圧の応用は電力工学だけに必要なものだと考えていました。発電所や変電所で働く気はまったくなかったので、高電圧PCBの設計について学ぶことを免れていたわけです。ところが、空間の応用に興味を持った時点で、その考えが間違っていたことに気付きました。そして、怠惰な自分と向き合わざるを得なくなってしまったのです。高電圧の応用は、製造や発電所から医療や航空宇宙まで、ほぼすべての業界に存在しています。 高電圧の応用に向けたPCBの設計では、設計や製造の全工程でさまざまな内容を検討しなければなりません。基板は過酷な状況で稼働することが条件となっており、部品や材料の寿命に大きな影響を受けます。これに挑戦しようという意気込みがある場合は、レイアウトの作成を開始する前に、いくつかの検討事項を確認しておきましょう。 動作周波数についての検討事項 製品の動作周波数は、 ESD と同様に高電圧設計に影響を及ぼし、 ノイズ管理 は基板に影響を及ぼします。これは、高周波が低い電圧でアーク放電を成し、信号線の周辺でより 厳重なスペース が必要になるからです。 周波数帯のもう一端にある低電圧DCについても、特別な検討が必要になります。特定の環境条件では、DC差動がエッチングやエレクトロ ケミカルマイグレーションの原因になることがあります。これらはどちらも望ましいものではなく、エレクトロ ケミカルマイグレーションは高電圧設計の性能や寿命により大きな危険をもたらします。というのも、導体パッドやトレースに whisker と呼ばれる微細な導電性のフィラメントが「成長」し、最終的には電位間でショートが発生する可能性があるからです。ここでは少なくとも、アーク放電を成しやすいポイントが発生し、基板の効果的な 沿面距離と空間距離 が減少します。 エレクトロ ケミカルマイグレーションはスズや銀で最も多く発生するものの、ときには銅でもフィラメントが破壊されることがあります。危険を最小限にするためには、不純物を含まないスズや銀をPCBの仕上げに使用しないことです。スズを使用する場合は、 鉛の含有量が少ないものが推奨されます 記事を読む
PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法 PCB回路設計で微細な短絡の発生を防止する方法 1 min Thought Leadership デートで出掛けたディナーのパスタに髪の毛が入っていたということほど、悲惨な話があるでしょうか。口に入れた後に気付いたとすればなおのことでしょう。この悲劇を避ける方法は2つあります。ひとつは、料理を口に運ぶ前に髪の毛が入っていないかどうかを徹底的に確かめること。もうひとつは、料理に髪の毛が入ってしまう危険を完全になくすこと（ただし、この場合は別のレストランを選ぶ必要があるかもしれません）。PCBの設計では、2～3本の髪の毛がそれほど大きな損害をもたらすことはありませんが、QCではどんなに微細な短絡も大問題になります。短絡を見つけるのには時間がかかるうえ、その修正コストはPCB実装よりも高額になることがあります。レストランの食事に髪の毛が入っていては困るように、設計でも短絡が発生するのを回避しなければなりません。とはいえ、人間はミスをするものです。短絡を完全には回避できないかもしれませんが、成功事例を実践して危険を最小限にすることは可能なはずです。 微細な短絡とは何か？どのように発生するのか？ 短絡は、関連していない2つの信号間の想定外の接続によって発生します。たとえば、正の電圧がGND信号と接続した場合には短絡と見なされます。信号が太い銅箔で接続されていれば、短絡は肉眼でも確認できます。これは、PCBが機械を使わずに手作業で作成されている場合にあてはまります。 微細な短絡が懸念事項となるのは、PCBが機械で製造される場合です。これは、髪の毛のように細い銅箔が2つの信号を接続してしまうことがあるからです。こうした短絡は、実装されたPCBで一連のQCテストが実施されるまで、肉眼では特定できません。残念ながら、製造工程のこうした遅い段階で短絡が見つかると、それまでに費やした時間や原材料のコストは確実に無駄になります。 短絡がどのように発生するのかを理解するためには、 PCB製造の一般的なプロセス を把握しておく必要があります。通常、PCBは非導電性の基板にラミネート加工された銅箔を使って製造されます。電気回路をPCBに実装するための一般的な方法は写真製版法で、電気回路の画像を含むシルクスクリーンのラミネートが、フォトレジスト コーティングされたPCB上に配置されます。 次に、PCBに紫外線（UV）が照射され、シルクスクリーンで覆われていない領域がアンモニアベースの溶液でエッチング除去されます。大半の場合、これらの処理は自動で行われ、問題がある場合は信号のパッドやトラックに接続する細い銅箔が残ることになります。製造後に徹底したテストを実施しない場合は、製造のその後の段階で不要な問題が発生する危険があります。 大半の場合、 微細な短絡を早い段階で特定することはほぼ不可能 微細な短絡は適切な電気テストによって削減可能 PCB設計を独学で勉強した私にとって、製造後の電気テストを実施しなかったために大変な痛手を負ったことは最大の教訓の1つです。「製造後に必要な電気チェックは PCBの製造業者 がすべて請け負ってくれる」と考えるのは安全ではありません。PCBを実装工程に送る前に、必ず フライングプローブテスト などの電気テストを実施して合格するようにしてください。フライングプローブテストでは、高精度のプローブが高速で移動しながらコンポーネントのパッドやビアをチェックし、製造での欠陥や設計のミスが特定されます。 なお、電気テストは100%確実なものではなく、微細な短絡を特定できない場合もあります。とはいえ、欠陥のあるPCBを実装工程に送ってしまう危険は大幅に低減できます。また、電気テストを通過したPCBに欠陥が見つかった場合に製造業者が確実に補償してくれれば、危険をさらに減らすことができます。上記の場合、評判のよい製造業者であれば、欠陥のあるPCBを交換し、実装されたコンポーネントの費用を弁償してくれます。 PCBは実装工程に送る前に必ずテストすること 微細な短絡の発生を削減するために設計者が実践できること 記事を読む
モノのインターネットのハードウェア プラットフォームのフレキシブル化 モノのインターネットのハードウェア プラットフォームのフレキシブル化 1 min Thought Leadership PCB設計者 電気技術者 ハードウェア製造業スタートアップ企業 / エレクトロニクスプロトタイパー +1 PCB設計者 PCB設計者 電気技術者 電気技術者 ハードウェア製造業スタートアップ企業 / エレクトロニクスプロトタイパー ハードウェア製造業スタートアップ企業 / エレクトロニクスプロトタイパー システムエンジニア/アーキテクト システムエンジニア/アーキテクト 子供の頃に熱中したり執着したりしたものを覚えていますか? 私が若かった頃、誰もがポケモンと、子供でも触れる電子機器に熱中していました。これら2つの熱狂はやがて、 たまごっち という最終的な流行に結びつきました。これは大ヒットして、携帯電子機器の人気と、小さく非現実的な動物に対しての子供たちの愛情を生み出しました。最近では、PCBにおける2つの熱狂、すわなちフレキシブル電子回路とモノのインターネット（IoT）が結合しました。自作用開発基板のようなハードウェア プラットフォームはIoTの誕生に役立ち、フレキシブル ハイブリッドエレクトロニクス（FHE）はそのIoTを成熟へ導くために役立っています。技術者は、Arduinoのような大きなブランドと互換性のあるフレキシブルな基板や周辺機器の設計を開始しています。IoT開発者が必要とするコンポーネントを搭載した、使いやすい基板を設計することで、この動向に加わることができます。 フレキシブルなハードウェア プラットフォームの利点 完全フレキシブルおよびリジッドフレキシブルPCBは長年にわたり、 航空宇宙 などハイテク産業に限って使用され、ローバーが他の惑星まで飛行するために役立っていました。しかし今日では、これらのPCBの利点は地球に戻って、開発基板やその周辺機器に利用されるようになっています。フレキシブルなハイブリッド電子機器では、従来型電子機器の低コストや性能と、フレキシブル回路の容積やフォームファクターの利点を組み合わせて活用しています。 一部の組織は 将来の完全にフレキシブルな電子回路 を構想していますが、現在のところはハイブリッドで妥協する必要があります。フレキシブル ハイブリッド電子回路は、フレキシブルな基板に従来型のコンポーネントを実装するものです。従来型の電子機器コンポーネントは長年にわたり、コスト、速度、消費電力の点で高度に最適化が行われてきました。 フレキシブルなアナログ も多少存在しますが、比較すると性能的には見劣りするものです。また、十分に使用され実績のあるチップを使い慣れていることから、デバイスで簡単に使用できます。 しかし、リジッドPCBには多くの欠点があります。主な問題点は曲がらずに折れる傾向があること、サイズ、および動的な圧力を処理できないことです。フレキシブル基板にコンポーネントを取り付けることで、これらすべての問題を解決できます。言うまでもなくFHEは曲がるように作られており、一部のFHEは 200,000回もの曲げ耐性 があります。信頼性に加えて、折り曲げ可能な基板はフォームファクターも小さく、通常のPCBでは収まらないような領域にも折りたたんで収納可能です。 記事を読む
汎用コントローラーを2つのPCBに分割した方がよい理由 汎用コントローラーを2つのPCBに分割した方がよい理由 1 min Thought Leadership 私は常に、成功のためには他者の成功を真似し、失敗を避ける必要があると考えてきました。私が職務を始めた頃は、Raspberry Piのような単一基板のコンピューターは存在せず、Arduinoを産業アプリケーション向けに真剣に考える人はいませんでした。私が自分で設計した汎用コントローラーのメンテナンスを初めて行うことになったときの苦労を想像してみてください。それは、火災警報のコントローラーで、50本を超えるワイヤーが手作業でネジ止めされていました。私は、障害のある8ピンのEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）を交換する必要がありました。顧客は不満を持っており、私はこの作業を迅速に、間違いなく行うよう圧力をかけられていました。このときから、私は汎用コントローラーの設計を複数の物理モジュールに分割するようになりました。同様に今日、Raspberry Pi は産業用アプリケーションに使用されています。これはコストだけではなく、そのモジュール化設計のためでもあります。 汎用コントローラーとは 電子機器産業におけるコンポーネントと労働力のコストが増大し続けていることから、 デザインのフットプリントを最小限にする のは論理的です。しかし、汎用コントローラーの設計においては、長期的にこれが最良の選択肢ではないこともあります。 スマートフォンやテレビのような民生用電子機器とは異なり、汎用コントローラーは一般的な仕様で設計され、多くの場合に小規模で使用されます。ファームウェアが異なれば、同じコントローラーでも異なる機能を果たすようになります。例えば、同じコントローラーを支払い機のコントローラー、セキュリティ管理コントローラー、または単純なデータ監視ステーションとして使用できます。 一般的な汎用コントローラーは、次の部分で構成されます。 マイクロコントローラー（MCU） SRAM、 FRAM 、フラッシュ、EEPROMなどのメモリチップ 周辺機器インターフェイス（イーサネット、USB、 RS485 記事を読む
PCB回路製品: 修理できるように設計するべきか？ PCB回路製品: 修理できるように設計するべきか？ 1 min Thought Leadership 自分の手掛けたものを誰かに修理してもらわなければならないとき、私は技術者としての落ち度を感じてしまいます。それが電子機器であれ、たまにしか担当しない木工品であれ、まずは自分で何とかしてみるまでは助けを求めたくありません。ただし、配管となると話は別です。その場合は すぐさま 助けを呼ぶことになります。 自分が手掛けた製品は自分で修理したい―そんな衝動が働きますが、問題なのは多くの企業がそれを求めていないことです。ケースを空けるために専用のドライバーが必要になったために、ラベルを破いて正式に保証を無効にしたことは数え切れないほどです。しかも、バッテリー交換のためだけにです。ここで専門的なアドバイスを1つお届けしましょう。どうしてもバッテリーを交換したいのに、細長いネジ穴に対してドライバーが小さすぎるとします。この場合は、プラスドライバーと輪ゴムでどうにか対処できることがあります。まず、輪ゴムを細長いネジ穴の上に置きます。不安定な細長いネジ穴にドライバーがしっかりと、はまるまで押し込み、ネジを外します。 とはいえ、開けたケースが混乱と後悔の詰まったパンドラの箱に化けてしまったこともあります。LCDモニターは、VCRの焼け焦げたコンデンサーを交換するのとは大違いなのです。 自分が手掛けた機器の修理に対してどんな考えを持っていても、製品の設計を開始する前には、消費者による修理について必ず考慮すべきでしょう。消費者が自分で製品を修理できるようにするのか？消費者が自由に修理業者を選べるようにするのか？それとも、企業が提供するサービスや特別に訓練された技術者だけを利用できるようにするのか？では、いろいろな選択肢を比較しながら、関連する法的要件についても見ていきましょう。 社内での対応 多くの製造業者は、消費者が自分で製品を修理できないようにしたいと考えています。悩ましいところですが、多くの場合にこれにはもっともな理由があります。高電圧、傷つきやすい部品、特許で保護されたコンポーネントは、適切な予防措置がない状態で消費者に機器の分解を許可していない、という明確な理由です。 社内ですべての修理を行う場合は、送られてきた修理品や現地での修理に対応する十分に訓練されたスタッフが必要です。一方で、製品が「消耗品」であれば、修理するよりも新しいものに取り換えたほうが安くつく場合もあるでしょう。この場合は故障率を把握して、保証期間中に問題が発生したすべての製品を交換する体制を整備しなければなりません。 指定した技術者に修理を委託することもできるでしょう。 修理の選択肢を提供する 消費者が製品を修理できるものにしたほうが容易な場合もあります。コンポーネントの複雑さによっては、交換部品の販売が新しい収益源になることもあります。私が勤めていた会社では、元のハードウェアの交換と同じくらい独自のバッテリーの交換に対応していました。これは、プリンター用の新しいインクの購入に似ています。 いずれにしても説明書は作成する必要があるため、特別に訓練された修理業者を説明書に記載して提供することもできます。ここでは、適切なガイダンスと免責事項も含めておきます。たとえば、エンジン、回転翼、高電圧など、製品の中には安全に扱わないと危険なものがあるからです。警告ラベルが必要なコンポーネントが製品に含まれる場合は、修理ガイドに説明を明記しておきます。 オープンな修理については、諸経費を大幅に節約し、長期的にサービスを提供することができます。これは技術者にとってもありがたい話です。 法的要件 どの方法を採用するかにかかわらず、法的な要件についても考慮する必要があります。「消費者が合法的に所有している製品を自分で修理することは許可されるべき」という指針に基づいて、米国の複数の州で 「修理支持」の法律 の制定が進められてます。また、海外では修理に対応できないという議論もあります。これは特に、農業や自動車の業界にずっと依存してきた地域経済にとっての強力な動機でしょう。 一部の大手企業は、この法案に積極的に反対しています。多くの場合、これは特許を取得できる設計に関して懸念があるからです。また、顧客にメンテナンスサービスを提供するための独占請負契約からの収益を守りたいと考えている企業も数多く存在します。 中小企業では、請負契約や売上の競争が激しくなるでしょう。この法案の支持者は、独占的なサービスでなく顧客サービスによって成り立つ市場を期待しています。修理する権利を持つ消費者は修理したハードウェアを売買しやすくなるものの、それによって企業の全体的な売上が減少する可能性があります。 記事を読む
PCBの複雑化に対応するための設計手法 PCBの複雑化に対応するための設計手法 1 min Thought Leadership 用途はわかりませんがとにかく小さい回路です 世の中の動きが自分より少々速いと感じたことはありませんか? 新語、アプリ、ヘアスタイルなど、さまざまなトレンドがあります。時代遅れのファッションセンスに加えて、複雑なPCB設計でも後れをとっているかもしれません。IoT（Internet of Things）とウェアラブル電子機器の出現のはざまで、PCB設計要件はますます高度になっています。この流れに遅れないためには、PCBの小型化、高速化、柔軟化を可能にする設計技術に常に注意を払う必要があります。また、設計動向への迅速な対応に加え、場合によっては必要な技術をどのように実装するかについてのトレーニングも必要になります。 小型化 昨今の衣料品の興味深いトレンドのひとつは、何もかもが小さくなっているということです。シャツは体にぴったりしたサイズになり、短パンやスカートの丈は短くなっています。コネクテッドデバイスがますます小さくなるにつれて、PCBもこのトレンドに乗っているようです。昨日はマイコンを腕時計の中に収納しなければなりませんでしたが、今日は画びょうの中に収納することになりそうです。腕時計に収納する技術はあっても、画びょうとなれば話は別です。PCBのサイズが小さくなるにつれ、効率的なファンアウトやブラインド/ベリードビアなどの設計の小型化ソリューションについて最新の情報が必要になります。 集積回路（IC）製造業者は、この要求により細かいピッチのパッケージで対応していますが、これにより世界は一層複雑化します。BGA（ball grid array）やQFP（quad flat package）は小型化し、より 効率的なファンアウト戦略が必要になるかもしれません。 高密度相互接続（HDI）ボードは、あらゆる部品を可能な限り密接して詰め込み、基板面積を節約するものです。実際に全てをそこに詰め込むためには、 ブラインドビアやベリードビアを使用して基板内の接続を効率的に行う必要があります。 小型化の危険な側面として、熱の管理に注意してください。 レイアウトを縮小した場合、以前は動作していた設計が動作しなくなることがあります。自分の設計が、より小さいフットプリントで放熱要件を満たすことができるかどうか、必ず確認してください。 高速化および小型化で過熱のことを忘れてはなりません 高速化 設計トレンドには、芝生の管理人と芝生に立ち入るティーンエージャーのように、もめごとが生じることが少なからずあります。より高速な回路を要求されるので、設計者は基板でより高出力のICを使用することになります。通常ICは、出力が高くなると、よりサイズが大きくなり、より熱を持ちます。 記事を読む