PCB製造のための設計ガイドライン: 重大な設計ミスを回避する方法

オーブンの中で焦げているケーキ
 

 

工学の学位を取得していなければ、私は料理番組の『マスターシェフ』に出場するような料理人を目指していたでしょう。それは私がとんでもなく料理上手だからではなく、ゾッとするようなビーフンの炒め物を作った後も料理を投げ出さなかったからです。そのときは長い乾麺を水に浸さなかったせいで、どうにも手の施しようがない硬い針金のような代物が出来上がりました。これは、正しい調理法にきちんと従わないことで発生した失敗の典型的な例でしょう。

 

これと同じように、電子設計でもミスは発生してしまうものです。どんなに注意深い設計者でも避けられないことでしょう。とはいえ、ミスの中にはプリント基板(PCB)全体を台無しにし、設計を一からやり直さなくてはいけなくなるほど重大なものもあります。回路をテストするためのPCBの試作品をじっと待っていると、製品の開発サイクルに手痛い遅れが出てしまうこともあります。

 

PCBの製造にまつわる重大な設計ミス

誰も間違いを犯したくはありません。ところが実際には、2~3回試してみないと完璧な設計になりません。設計の早い段階であれば、単純にトラックやジャンパー線を切断するだけでミスを修正できるため、開発プロセスへの影響も最小限で済みます。ところが、ほぼ必ずPCBを台無しにしてしまう下記のようなミスの場合、そうはいきません。

 

1. 誤ったフットプリントの使用

大半のパッシブコンポーネントはスルーホールと表面実装フォームファクターで使用できる一方、特に特殊機能ICなどの集積回路(IC)は2~3種類のパッケージでしか作成できません。Small Outline IC(SOIC)とShrink Small Outline Package(SSOP)を間違えると、小さめのICを大きめのフットプリント(またはその逆)に収めようとしていることになります。

 

慎重にデータシートをチェックして、必ずコンポーネントのパッケージの種類を確認するようにしてください。ここでは憶測を立てず、ICの寸法とピッチサイズが両方とも正しいかを確認します。私はSOICの「細い」バージョンを間違って使ったときに教訓を得ました。そのバージョンのピッチサイズが「太い」バージョンと同じだったのです。

 

PCB上の電子部品
正しいICコンポーネントを使って、設計のフットプリントに影響を及ぼす設計ミスを回避する
 

 

2. アドレスバスの不一致

設計者になりたての頃、高密度メモリーの要件があると並列のFlashメモリーかStatic RAM(SRAM)を使っていたため、最大で23ビットのアドレスと8ビットのデータ信号に対処する必要がありました。ここではマイクロコントローラーのアドレスピンとメモリーコンポーネントを一致させないと、使えない試作品が出来上がってしまったり、数日かけて信号を切断し、ジャンパー線で配線し直すはめになります。この事態を避けるために、マイクロプロセッサーのアドレスバスやそれぞれのメモリーチップの接続方法を完全に理解しておく必要がありました。

 

3. GNDプレーンの不適切な設計

GNDプレーンの適切な設計の効果は、単純なデジタル回路ではわかりにくいかもしれません。ただし、アナログ設計やデジアナ混在回路設計向けのGNDプレーンの成功事例を無視すると、実装はされているものの許容できないPCBになってしまう可能性があります。この場合は干渉やクロストークが発生する恐れがあるため、設計をすばやく改善する必要が出てきます。

 

幸いなことに、私はGNDの接続不良があるPCBを修復できたことが何度かあります。今は正しいGNDプレーンの設計に従うことにしています。覚えておいていただきたいのは、適切な場合はポイントごとでアナログとデジタルのGNDを分離し、電流の経路について考慮することです。

 

4. 間違った取り付け穴

取り付け穴は電磁妨害(EMI)の軽減に役立ちますが、取り付け穴の座標が誤っていると、正しく機能している基板が筐体に固定されなくなります。そのため、座標が正確かどうかを必ず確認してください。間違っていると、ねじを固定するための経路が明確にならないことがあります。

 

PCBが筺体に組み込まれる設計では、コンポーネントを実装する前に正しい座標へ取り付け穴を配置してから、PCBのレイアウトを開始することが不可欠です。

 

穴開けを行っている作業者
穴の最初の位置が間違っていると、穴開けで対処できない。

 

 

5. 薄い銅箔上の過剰な電流密度

部分回路ごとに電力量を計算してすべてのベースを覆う際には、何が問題になり得るでしょうか? よく見られるミスは、メインの電圧信号のトラックを通過する総電流を考慮しないことです。もう1つの一般的なミスは、銅箔幅が適切でないことです。こうしたミスはオーバーヒートを引き起こしたり、一部のケースでは伝導性の銅箔が完全に分離してしまったりします。電力量を適切に解析すれば、必要なトラック幅が明確になります。Altium Designerなどの専門的なPCB設計ソフトウェアでは、DCドロップ解析ツールで計算を検証できます。

 

専門的な設計ソフトウェアを検討しているものの、Altium Designerの対象分野とは別の市場に従事している方には、AltiumのCircuitStudioが理想的でしょう。

 

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