当記事では、基板設計の手順を紹介しています。
何事にも手順があるように、プリント基板の基板設計にも手順があります。
手順の順番や言葉の表現に違いがあるかと思いますが、一般的に下記の様な流れになっています。
仕様の把握
プリント基板の設計を行うにあたり配線幅や配線間隙、基板端からの制約等をCADに設定する仕様を把握する必要があります。
基板の仕様
基板の仕様は層構成などのプリント基板の設計CAD上で必要な情報です。
一般的に、層数がわかれば基板設計を進めることが出来ます。
SI解析やPI解析等を行う場合は、層構成の詳細情報が必要になるのできちんと設定することで解析の初期設定がスムーズになります。
基板の層数
層数はプリント基板の設計CADの設定で必須ですので、把握しておかなければいけない仕様です。
１層板（片面基板）、２層板（両面板）、４層板、6層板、８層板等が一般的です。
配線途中で基板の層数が変わる時もあります。
板厚と層構成
プリント基板の設計をする上で制約図に基板端からの禁止情報の記載が無い場合、基板の板厚から基板端に対する導体位置や穴位置の制約を決めるので必要な情報です。
第２層がGND層、第3層が電源層などの層の構成情報も必要です。
板厚=1.6mmが一般的ですね。
表面処理
プリント基板の設計だけをしているのであれば不要な情報です。試作基板を制作依頼するのであれば必須の情報になります。
共晶半田レベラー、無鉛半田レベラー、プリフラックス、金フラッシュ等が一般的です。
プリント基板の設計に直接には関係の無い仕様も多々ありますが、知りすぎて損をするという事はありません。
逆に得をする場面しか想像できませんので把握しておくべきだと、私は思います。プリント基板に関する言葉を学んで自分の基板設計スキルにする事をおすすめします。
メタルマスクの仕様
プリント基板の設計だけをしているのであれば不要な情報です。メタルマスクの製作を依頼するのであればで必須の情報です。
基板サイズ（面付け外形サイズ）からメタルマスクの大きさを、使用部品からメタルマスクの厚みを決めます。
配線仕様
一般的に、この配線仕様で設計して下さいという配線仕様の指定があります。ない場合は自分で決めなければなりません。
パターン配線の仕様を決める場合、電気的な仕様を少しでもわかっていると有利になります。
例えば、電流値に対する必要配線幅とかビアホール一穴での許容電流値などを知っていると有利です。
それから電圧値の違いから生じる間隙値の仕様などです。
部品の実装密度や回路構成からピン間３本、ピン間２本、ピン間1本といった配線仕様を決めます。
余談になりますが、ピン間2本で設計を開始したけれど難易度が高いのでピン間３本の仕様に途中で変えたということもありますし、ピン間３本の仕様で始めたけれどピン間２本の仕様で収まったという事もあります。
６層基板で設計を開始したけれど４層基板で収まった事もあり、予測ができる時もあれば予測ができない時もあります。
最大の電流値を確認して電源、GNDの配線幅を決める。電圧値は配線パターン間の間隙値を決める為に必要な情報です。
動作周波数が早くなるとパターン配線時に気を使う必要が生じるので、早い信号ありますか？と確認しておくといいでしょう。
ビア径
多くの場合はビア径の指定があります。ない場合は、自分で決めます。
ビアは基本、プリント基板設計CADに複数種類が設定されていると思いますので適宜選びます。
ネットリスト作成
ここからパターン設計になります。ネットリストには使用している電子部品情報と配線の接続情報が記述されています。
基板設計CADによって記述形式が異なりますので、使っているプリント基板設計CAD向けのフォーマットのネットリストが必要になります。
一般的に、ネットリストはテキストデータで支給されます。書式フォーマットが使っているプリント基板の設計CADのフォーマットと異なる場合もあります。
そんな場合は、ネットリストの変換が必要になります。
テキストエディタを使い人力で入力したり、異なるフォーマットのネットリストを変換していた時も有りますが、市販ソフトでネット変換に特化したソフトがありますので、今はネットリスト変換ソフトを使って変換しています。
変換ソフトも複数あります、どれがいいのか調査はしていません。
部品調べ
プリント基板の設計開始時に部品表と呼んでいる、基板で使用している部品を網羅した一覧表が支給されます。
部品表にはメーカー型式名、メーカー名、部品番号などの情報が記載されています、
部品表を元にして使用している部品がCADのデータベースに部品登録が有るのか？を調査して、登録の無い部品を洗い出します。
部品作成
プリント基板設計CADの部品ライブラリに登録が無い部品を登録していきます。
登録数が多ければ時間がかかるし、少なければ時間はかかりません。
部品データを作る人のこだわりにもよりますが一部品30分から5時間程度。複雑な部品になると半日以上かかることもあります。
CADデータ立ち上げ
プリント基板の設計CADに合わせたフォーマットのネットリストと部品ライブラリが揃ったら、基板設計CAD用の基板データの立ち上げの前準備は完了です。
新規でCADデータを立ち上げます。
立ち上げの際に固定穴部品等の不足が生じたりしますが、適宜対応して立ち上げに尽力あるのみです。
基板外形・制限領域の入力
CADデータが立ち上がったら、プリント基板の外形を入力します。
基板外形入力
プリント基板の外形と固定穴を含めて基板外形という認識でいます。
基板の外形はDXFで支給される事が多いので、取り込んでプリント基板の設計CADの基板外形の層に移動やコピーをして活用しています。PDFや印刷物だけで支給された場合は、手入力で基板外形を描きます。
基板には固定穴がある事が多いので位置指定のある固定穴を指定位置に置きます。
基板外形図寸法入力
プリント基板の外形と固定穴を置ききったら、確認の為に寸法を採ります。
支給された外形寸法図と違う寸法の追い方をしてしまうと計算しないと確認できない事もあります。
支給された基板外形図と同様に寸法を採ることが確認しやすい寸法図を作るコツになります。
入力した寸法値が合っている事を確認したら外形作成は完了です。
制限領域の入力
基板外形の入力が完了したら、次は部品実装禁止、実装出来る高さ制限や破線パターンの禁止等の制約領域を入力します。
基板端の配線パターン禁止と穴禁止はCADによってはデザインルールチェックのパラメーター入力で対応している場合もあるので、基板設計CADのパラメーターを調べてみましょう。
DXFで基板外形の支給があれば取り込んで流用出来ます。PDFデータ等のCADに取り込めない場合は手入力します。
図面やDXFの支給が無くても基板端から基板板厚分は禁止が一般的ですね。
制限領域の寸法入力
配線禁止領域入力が終わったら確認と図面作製も兼ねて寸法を採りましょう。
支給された図面の寸法採りと同じ様に採ると確認しやすい事は言うまでもありませんね。
デザインルールのパラメーター設定
基板設計CADのデザインルールは仕様が守られているかのチェックになります。
部品同士の間隙、パッドとビアの間隙、パッドと配線パターンの間隙、配線パターン同士の間隙等の仕様を数値化してそれぞれの項目に設定していきます。
きちんとデザインルールを設定する事でリアルタイムでチェックをかけてながらパターン配線が出来る様になります。
間違った設定のまま最後に気付くこともあり、顔面蒼白になることも過去には何度もありました。
初期にきちんと設定して設定の確認をしておくことが重要です。
部品配置
基板外形の外に全ての部品があり、基板外形内には固定穴しかない状態である事を確認します。
基板外形の中に部品が無い状態が、部品配置のスタート地点です。
位置指定部品の配置
最初に部品配置するのは位置指定のある部品。
基板外部と接続するコネクタ、光で知らせるLED、数字を表示するセグメントLED等は位置が指定されている事が多い。
位置指定の部品が多ければ多いほどパターン配線は難しくなる事もありますが、部品配置は楽になります。
大物部品の配置
位置指定の部品の配置が終わったら、次は大物部品の配置。
電源回路などの大きな部品群やIC等が大物部品に該当します。
部品配置のコツですが、感覚的なものなので言葉で表現するのは難しいです。
私の場合、2.5mm、1mm、0.5mmといった大きなグリッド設定で配置する様にしています。
大きなグリッドの方が上下のずれが少なくなり見た目が整然とします。置ききれない時だけ、グリッドを0.1mmにして詰めます。
残った部品の配置
先に配置した、位置指定部品と大物部品との接続を確認しながら適宜配置していきます。
業種によっては、部品配置図を提出し承認を受けたら移動は駄目という場合もあるので確認が必要です。
とにかく部品配置は数をこなさないと感覚的なものは身に付きません。数をこなすことで部品配置のコツもわかってくることでしょう。
部品配置の仕方はその人の性格が反映されるので細かい部分は人それぞれ異なります。
ビアを打つ位置や、正確な部品の向きを気にする人もいれば気にしない人もいます。
私の場合、細かい事は気にしないで部品配置しています。部品位置もおおよその位置なので、パターン配線しながら位置を移動したり、回転したり入れ替えたりしながら基板設計を進めるスタイルです。
パターン配線
部品配置と配線ルールを設定する事が出来たら、パターン配線です。配線する順番としては、ラッツが短い配線パターンから配線する。
電源とGNDの幹線も同時に配線すると効率が良いです。配線のコツを掴むには慣れが必要です、数をこなせば自然にコツが身に付いていきます。
USB回路やイーサネット回路、PCIe回路、DDR等はインピーダンス管理が必要になりますPCIe、DDR等はSI解析を行いながらパターン配線します。
シルク編集
配線が完了したらシルク編集です。部品略称の他に製品名や規格で決まっている記号や高圧注意を喚起する警告表記、バーコードシールの張り付け位置など製造で必要な表記をシルク表記します。
図面化に必要なデータの入力
私の場合ですが、基板外形の外に基板名称と各層がわかるように文字データを入力して何の図面なのかがわかる表記をしています。
それから穴図の作成もしています。
デザインルールチェック
基板設計開始時にパラメーター設定したルールで成り立っているかのチェックをします。エラーが無くなるまで何度もチェックをかけます。
実際にはエラーがゼロになることは稀です。エラーになっているけど大丈夫というエラーもあります。
承認依頼
基板設計が完了したらパターン図と呼ばれている各層のPDFを作成し、回路設計者にアートワークチェックを依頼をします。
１回目で承認が下りる事は稀、普通は何回か手直しが入ります。
手直しの度にPDFを新たに作成して承認依頼をかけることを繰り返します。
面付け外形作成
基板の製造コストや部品実装時の制約により、複数枚取りにしたり捨て材を設けた枠データを別に準備します。
実装機固定用の穴や、自動実装機用の基板認識マーク等も枠データに設けます。確認と基板製作用に必要な寸法やテキスト情報等を入力して完成させます。
ガーバー出力
基板設計の承認が下り、面付け外形データも出来ているとガーバー出力が出来る状態になります。
ガーバー出力の準備
どの層をガーバー出力するのかを前もって把握しておき、作業をスムーズにするために、ガーバー出力用のパラメーターを前もって準備しておくとよいでしょう。
ガーバー出力用のパラメーターファイルは初回に設定してしまえば、あとは使いわせます。
ガーバー出力
面付け基板外形データに個片の基板データを貼り付けます。ガーバー出力用のパラメーターの前準備が必要です。パラーメーターさえ準備出来てしまえば後は自動でガーバーデータが出力されます。
基板製作用のモニタ図として、ガーバー出力状態した状態の各層のPDFを作成します。
基板製作用のガーバーデータとメタルマスク製作用のガーバーデータを分けておくと、後々、便利かなと思います。
部品実装機に必要な部品座標のデータも出力します。
データのバックアップ
ガーバー出力が終われば基板設計は完了です。各種データを纏めてバックアップします。
まとめ
基板設計の手順を紹介しました。
基板設計には、以下の手順があります。
仕様の把握
↓
部品調べ
↓
部品作成
↓
基板データ立ち上げ
↓
基板外形と制約データの入力（面付け外形の作成）
↓
部品配置
↓
パターン配線
↓
シルク編集
↓
DRC
↓
検図
↓
GB作成
↓
データのバックアップ
手順に従い作業を進めるとスムーズになります。
以上、プリント基板の設計手順の紹介しました。
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