プリント基板のレイアウト設計手順

設計者の画像 レイアウト設計

何事にも手順があるようにプリント基板のレイアウト設計にも手順があります。
レイアウト設計ですがアートワーク設計と呼ばれたりもします。

手順の前後や言葉の表現に違いがあるかと思いますが下記の様になります。

仕様の把握

レイアウト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に設定するには仕様を把握する必要があります。

基板の仕様

プリント基板

基板の仕様は層数はレイアウト設計CAD上で必要な情報です。他にSI解析等で層構成情報が必要になるのできちんと設定しておくとSI解析の初期設定がスムーズになります。

層数

層数はレイアウト設計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。

板厚

レイアウト設計をする上で制約図に記載が無い場合、板厚から基板端からの導体位置や穴位置の制約を決めるのでこれもまた必要な情報です。

板厚=1.6mmが一般的ですね。

表面処理

レイアウト設計だけをしているのであれば不要な情報です。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。

レイアウト設計に不要な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。

機会が許すのであれば、がむしゃらにプリント基板の事を学んで自分のスキルにする事をおすすめします。

メタルマスクの仕様

レイアウト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

多くの場合、こんな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には電気的な仕様を少しでもわかっていた方が有利です。

例えば、アンペア数に対する必要な配線幅だとかビア一穴での電流値など、知っていると有利です。

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。

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の間隙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をひく時に気を使う必要が生じるので、早い信号ありますか?と確認しておくとよい。

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、レイアウト設計CADに複数種類が設定されていると思いますので適宜選んでください。

部品調べ

プリント基板のレイアウト設計開始時に時部品表という基板で使用している部品を網羅した部品表というものが支給されます。

メーカー型式、メーカー名などの情報が記載されています、

それを元に使用している部品がCADのデータベースに登録の有無を調査して、登録がない部品を洗い出します。

部品作成

レイアウト設計CADの部品ライブラリに登録が無い部品を登録します。

登録数が多ければ時間がかかるし少なければ時間がかかからない。

ネットリスト作成

自分の使っているレイアウトCAD向けのフォーマットのネットリストが必要。

ネットリストはテキストデータで支給されることがほとんどですが、書式フォーマットが使っているレイアウト設計CADの書式と異なる場合は変換が必要になります。

有料ですが異機種CAD間の変換ソフトも発売されています。どれがいのか調査はしていません。

CADデータ立ち上げ

レイアウト設計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、CADデータの立ち上げの前準備は完了。

新規でCADデータを立ち上げましょう。

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

プリント基板

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、取り込んでレイアウト設計CADの基板外形の層に移動やコピーをしています。

PDFだけ支給された場合は、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

基板外形の入力でき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、レイアウト設計CADのパラメーターを調べてみましょう。

DXF支給があれば取り込んで流用出来ます。図面だけの場合は、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

レイアウト設計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ありました。

初期にきちんと設定と設定の確認する事が重要です。

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る。

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レイアウト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、数をこなし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。

私は、PCIe、DDR等はSI解析を行いながらパターン配線しています。

シルク編集

配線が完了したらシルク編集です。

図面化に必要なデータの入力

私は、基板外に基板名称と層を文字データで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

レイアウト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かチェックをかけます。

承認依頼

レイアウト設計が完了したら各層のPDFを作成し、開発元に承認依頼をします。

1回目で承認が下りる事は稀、普通は何回か手直しが入る。
手直しの度にPDFを新たに作成して承認依頼をかけるを繰り返します。

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。

確認と図面様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

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、パラメーターを設定しておく必要があります。

面付け外形データに個片のデータを貼り付けます。

パラメーターさえ準備出来てしまえば後は自動でガーバー出力されます。

面付け外形に張り付けた状態の各層のPDFを作成。

部品実装機に必要な部品座標のデータも出力しておきましょう。

データのバックアップ

ガーバー出力が終わればレイアウト設計は完了。

各種データを纏めてバックアップします。

以上、プリント基板のレイアウト設計手順の紹介でした。

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