PCB設計において、配線は大きく3つのレベルに分けられる。最初のレベルは、基本的な接続性です。これはPCB設計において最も基本的な要求です。ネットが接続されていなければ、基板は基本的な機能を持ちません。それでは基板はスクラップです。他のことを言ってはいけない。.
第2のレベルは性能である。これは、プリント回路基板がどれだけ優れているかの尺度である。配線した後、どうすれば最高の性能を発揮できるかを考えなければならない。さまざまな種類の干渉を避けなければならない。また、信号を安定させ、クリーンな状態に保たなければならない。.
第3のレベルは外観である。トレースが接続され、基板が良好な電気的性能を示しても、レイアウトが乱雑に見えることがある。そのような場合は、配線をきれいに見せるべきです。きちんとした配線は、後のテストや修理に役立ちます。また、きちんとした配線は上級エンジニアのスキルを示すものでもあります。.
上手なルート取りの方法
配線方法は様々です。入出力トレースが近接して平行に走っている場合の反射信号や、隣接する2つの層のトレースが平行に走っている場合の寄生カップリングなどの問題を避けるためには、多くの要素を考えなければならない。干渉が強ければ、基板がまったく機能しなくなる可能性もある。以下は、PCB配線の推奨ルールです。「5-5」ルール（レイヤー選択ルール）
このルールは、PCBの層数を選択するのに役立つ。クロック周波数が5MHzに達するか、パルスの立ち上がり時間が5ns未満の場合、PCBは多層基板にすべきである。これは一般的なルールである。.
コスト面から2層基板を選択することもある。もし2層基板を使うのであれば、片面全体をしっかりしたグランドプレーンとして使うようにしてください。そうすることで、パフォーマンスが向上します。.
デジタルとアナログの混合グラウンドルール
現在、多くのプリント基板にはデジタル回路とアナログ回路の両方があります。配線する際には、両者の干渉、特にグランド上のノイズについて考えてください。デジタル回路は高周波で動作する。アナログ回路はしばしば敏感です。.
信号については、高周波トレースを敏感なアナログ部品から遠ざける。グランドについては、PCB全体が外界との1つのノードを持つ。そのため、基板内部のデジタルとアナログのグラウンドを注意深く扱わなければならない。.
基板内部では、デジタル・グラウンドとアナログ・グラウンドは多くの場合別々で、互いに接続されていない。コネクタなど、プリント基板が外界と接続される箇所でのみ接続されます。デジタルグランドとアナロググランドが一点で短くつながっていることを確認してください。システムによっては、基板上でグランドを共有しないこともあります。システム設計の決定に従ってください。.
大きな銅エリアでの部品リードの取り扱い
大きな銅のグラウンドや電源エリアは、多くの部品のリード線と出会うことが多い。部品のリード線を扱うには、電気的性能と組み立てのバランスを取る必要があります。.
電気的な観点からは、パッドは最高の性能を発揮するために銅に完全に接続されるべきである。しかし、完全な銅パッドは、はんだ付けにおいて問題を引き起こす。その問題とは以下のようなものです：
はんだ付けには、はんだごての熱が必要だ。.
はんだ接合部が冷たかったり、弱かったりしやすくなる。.
電気的ニーズと製造のバランスを取るために、サーマルリリーフパッドを作る。一般的な形は十字型のパッドです。これはサーマルリリーフまたはサーマルパッドと呼ばれます。パッドを大きな銅プレーンから熱的に隔離することで、はんだ付けを助けます。サーマルパッドは、はんだ接合部が低温になる可能性を低減します。多層基板では、電源層とグランド層に接続するビアも同じように扱います。.
グリッドシステムのルール
グリッド・グラウンド・システムまたはメッシュ・グラウンドは、トレース・インダクタンスの低減に役立ち、RF電流に良好なリターン・パスを与える。しかし、グリッド密度には注意が必要です。.
グリッドの密度が高すぎると、小さなメッシュの段差が多くなる。そのため、多くのレイアウトデータが生成されます。これは、より多くのストレージを必要とし、CADツールの速度を低下させます。また、一部のグリッド・パスは部品パッドや取り付け穴によって占有されるため、無駄になります。グリッドがまばらすぎると、配線が難しくなり、配線の成功率が下がります。.
そのため、適度なグリッド密度を選んでください。標準的な部品のリード間隔は0.1インチ（2.54mm）です。そのため、0.1インチまたはその倍数のベースグリッドが一般的です。例0.05インチ、0.025インチ、0.02インチなど。.
ルーティング後の確認方法
PCBの配線が終わったら、設計がルールに従っているか、製造上の制限を満たしているかをチェックします。以下のようなチェックが一般的です。.
チェック項目には、一般的なPCB設計図面項目、PCB電気チェック、PCB物理チェック、機械設計要素、PCB実装要件、基板ブレークアウトの必要性、機械的考慮事項、電気的懸念事項、配線経路と配置、トレース幅と厚さ、トレース間隔、トレース形状チェック、設計項目リストが含まれます。.
実践チェックリスト
ビア間の距離が適切かどうかを確認する。.
電源とグラウンドのトレース幅が現在のニーズに合っているかどうかを確認する。.
主要な信号トレースに最適な手段（ショートパス、制御インピーダンス、シールド）が使用されているかを確認する。.
必要であれば、アナログとデジタルのグラウンドが分かれているかどうかを確認する。.
基板上に銅パターンが追加され、信号が短絡していないか確認する。.
基板に工場で必要な加工ラインやマーキングがあるかどうかを確認する。.
多層基板の電源プレーンとグランドプレーンのエッジに必要なインセットがあるかどうかを確認する。.
ルーティングのケーススタディと主要ルール
配線はPCB設計の主要な部分です。配線には多くの場合、最も時間がかかります。エンジニアは、面取りルールや3Wルールなど、配線時の基本的なルールに従うべきです。.
グラウンド・ループ・ルール
最小ループ・ルールとは、信号とそのリターン・パスが囲む面積をできるだけ小さくすることを意味する。ループの面積が小さければ小さいほど、基板からの放射が少なくなり、外部ノイズの影響を受けにくくなります。.
グランドプレーンを分割するときは、プレーンの形状と重要な信号経路の位置関係を考えてください。ループ面積を増加させるグランドプレーンスロットによる問題を防ぐ。.
2層設計の場合、電源用に十分な面積を確保してください。他のスペースは基準グラウンド銅で埋める。基板の両面を接続するために必要なグランド・ビアを追加する。主要な信号にはグランド絶縁を使用する。高周波設計には多層基板を使用する。.
遮蔽と保護ルール
シールドは、ループ面積を減らし、放射を低減するもう一つの方法である。クロック信号や同期信号などの重要な信号にはシールドを使用する。.
非常に重要な信号や非常に高周波の信号には、銅シールドや同軸のような設計を使うことができる。配線したトレースの四方をグラウンドで囲む。また、シールドのグランドをどのようにメイングランドプレーンに接続するかも計画してください。.
クロストーク制御ルール
クロストークとは、PCB上の異なるネット間の干渉を意味する。長い平行配線から発生する。その原因は、並列配線間のキャパシタンスとインダクタンスの分布です。.
クロストークに対抗する主な方法： - 平行トレース間の間隔を広げる。配線層とグランドプレーン間の距離を縮める。.
3Wルールに関する注意事項
クロストークをカットするには、トレース間隔を大きくとる。中心距離がトレース幅の3倍であれば、フィールドの約70%が絶縁される。98%の絶縁には10Wを使用する。.
トレースの方向制御
隣接するレイヤーの方向を直交させる。隣接する層で同じ方向にトレースを走らせないようにする。こうすることで、レイヤー間のカップリングを減らすことができます。基板の構造上、特に高速設計で平行配線にせざるを得ない場合は、配線層間にグランドプレーンを使用して絶縁する。また、信号トレース間には、接地されたガードトレースを使用してください。.
ぶら下がりトレース・チェック・ルール
ネットの端を接続せずに浮かせたままにしないこと。浮いているトレースはアンテナの働きをします。余分な放射を引き起こし、ノイズを拾います。これを避けてください。.
クローズド・ループ・チェック・ルール
異なるレイヤーをまたいで信号がループを形成するのを防ぐ。多層基板では、ループは放射の原因となる。これに注意し、ルーティングを調整する。.
面取りルール
トレースコーナーは鋭角や鋭角を避けてください。鋭角のコーナーは不要な放射線を引き起こすことがある。また、製造上も好ましくありません。緩やかな曲がり角や45度の角度を使用してください。.
デカップリング・コンポーネント・ルール
必要に応じてデカップリングコンデンサを追加する。デカップリングは電源ラインのノイズをフィルタリングする。デカップリングコンデンサは、パワーフィルタの後、デバイスのパワーピンの近くに配置する。.
パワー・プレーンとグランド・プレーンの完全性
ビアの多い場所では、ビアがプレーンを切断してプレーンを分割しないこと。プレーンの分割はループ面積を増やし、信号のリターンパスの問題を引き起こす。ファンアウトする場合は、ビアとビアの間に少なくとも1本のトレースを配線できるように、ビアの間隔を保ってください。.
電源プレーン・オーバーラップ・ルール
異なる電源プレーンが空間で重ならないようにする。こうすることで、特に電圧差が大きい電源間の干渉を減らすことができる。重なりが避けられない場合は、それらの間にグランド層を追加することを検討する。.
20Hルールの繰り返し
エッジ効果を思い出してください。電源とグランドプレーンの間隔はエッジ放射に影響する。フィールドをグランドプレーン内に保つために、パワープレーンをインセットする。20Hのインセットは、フィールドの約70%を制限する。100Hの挿入は、フィールドの約98%を制限する。.
より詳細なルーティング・ルールとチェック
リターン・パス・コントロール
信号のリターンパスを常に計画する。信号は、その下に低インピーダンスのリターンがなければなりません。グランド・リターン・パスは短く保つこと。.
ファンアウトとビアプランニング
高密度BGAやファインピッチ部品では、ファンアウトを早めに計画する。信号配線に余裕のあるビア間隔を保つ。ファンアウトについては、高度な設計で必要であれば、マイクロビアまたはブラインドビアを使用してください。.
インピーダンス制御
高速シングルエンドトレースまたは差動ペアの場合は、トレース幅と間隔を制御してターゲットインピーダンスを一致させます。PCBのスタックアップと誘電体を使用して、トレースのジオメトリを計算します。.
差動ペアルーティング
ディファレンシャルペアを同じ長さで配線する。間隔を安定させる。スタブを避ける。ベンドは滑らかに保つ。.
レングス・マッチングとディレイ
タイミングを合わせる必要があるバスやインターフェイスでは、配線長を合わせる。長さの調整にはサーペンタイントレースを使用する。サーペンタインパターンは滑らかで高さを短くしてください。.
サーマルリリーフとサーマルパッド
パッドを大きな銅に取り付ける場合は、サーマルリリーフを使用する。パッドをスポークでプレーンに接続させる。これははんだ付けを助ける。.
ソルダーマスクとペーストマスク
ソルダーマスクの開きをチェックする。SMD部品のペーストマスクの位置を合わせる。小さなパッドのペースト面積を確認する。.
テストと組み立てのための設計
テストポイントと組立マーカーを残す。プローブ用のスペースを確保する。はんだ付けや検査ができるように配置する。.
最終ルーティング・チェックリスト（ショートリスト）
- すべてのネットが接続されていることを確認する - DRCとERCのチェックを実行する - トレース幅と電流をチェックする - クロストークと電圧の間隔をチェックする - デカップリングとバルク・コンデンサをチェックする - プレーンの分割とリターン・パスをチェックする - サーマル・リリーフとパッド形状をチェックする - アセンブリとテスト・アクセスをチェックする。.
避けるべき一般的な誤り
- クリティカルな信号の下にグランドプレーンのスロットを残す - ノイズの多いパワートレースの隣に高速トレースを通す - 90度のコーナーを多用する - ICピンの近くにデカップリングを追加しない - ビアでプレーンをひどく分割する - 高密度チップのファンアウトを計画しない。.
クロージング・ノート
配線はPCB設計の重要な部分です。良い配線作業は、正しい接続、良い性能、良い外観をもたらします。簡単なルールに従ってください。ループを小さく保つ。クロストークとリターンパスを制御する。エッジ・コントロールにはプレーン・インセットを使う。電源ノイズにはデカップリングを使用する。はんだ付けにはサーマルリリーフを使用する。配線には適度なグリッドを使用する。配線後の基板を注意深くチェックする。.
これらの基本的なルールに従えば、EMIを減らし、信号品質を向上させ、ボードの構築と保守を容易にすることができる。配線には注意が必要です。プランニングとレイアウトに時間をかけましょう。良いレイアウトは、テストや修理の時間短縮、最終製品の品質で報われます。.
