ステップ1 - 適切なEDAツールを選ぶ
私が知っている多くの人が使っているEDAツールは、Altium Designer、Mentor PADS、Cadence（OrCADとAllegro）です。EAGLE、Protel、Lichuang EDAも使ったことがあります。初心者の方にはAltium Designerをお勧めします。プロになる可能性のある人には、ケイデンスをお勧めします。.
PCB設計の学習の大部分は、EDAソフトウェアを学ぶことです。ソフトウェアが分かれば、学習の焦点は回路設計と製造プロセスに移ります。その後、プロトコルやファームウェア、高速信号、EMCを学ぶこともあります。そうなると、EDAツールは単なるツールであり、主目的ではなくなります。.
ステップ2 - 回路回路図を確定する
例えば、懐中電灯の回路図は、コイン電池ホルダー2個、スイッチ1個、電流制限抵抗1個、LED1個という単純なものに見えます。これは非常にシンプルな回路図である。.
SPIイーサネットチップKSZ8851SNLのデモボードのような複雑な機能の場合、回路図には何十、何百もの部品と何百ものネットが必要になるかもしれません。このような回路図をどのように描くかは大きなテーマです。この記事では、PCB設計の流れの概要を説明します。.
ステップ3 - フットプリントを描く（コンポーネントパッケージ）
回路図にパーツを配置する前に、各パーツのフットプリントを描きます。フットプリントを描いた後、パーツを1つずつ回路図に配置していきます。フットプリントを最初に作成する理由は、同じパーツを何度も使用する場合、その都度再描画しないからです。保存したフットプリントを再利用するだけです。これにより、繰り返しの作業を大幅に削減できます。もしすべてのフットプリントが共有されていれば、設計者はこのステップを省くことができるでしょう。.
懐中電灯の例では、4種類の部品を使用した。それぞれの部品は回路図にシンボルがあります。それぞれのシンボルにピンと名前を追加します。これで部品の回路図シンボルが完成し、フットプリントへのリンクができます。抵抗、コンデンサ、インダクタのような一般的な部品については、ほとんどのEDAツールがシンボルとフットプリントの例を提供しています。ベンダーのライブラリからそれらを取り出し、自分のライブラリに保存することができます。.
特殊なICやコネクタのような珍しい部品の場合、チップのデータシートを使って手作業でフットプリントを描かなければならないことがよくあります。例えば、私は安川のメカトロリンク・プロトコル・チップを扱いました。このチップは安川電機からしか発売されておらず、データシートが提供されているだけで、すべてのEDAツール用のフットプリントは提供されていません。私はその100本のピンを1本ずつ配置し、名前と番号を割り当てなければなりませんでした。.
400ピンを持つZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGAのような大型チップの場合、仕事は大きくなる。400ピンを配置し、番号と名前を追加する必要があります。大きなベンダーのチップの場合、メーカーは通常、ダウンロード可能なピン配置ファイルを提供しています。例えば、ザイリンクスはZynq-7000のピン配置ファイルを提供しており、これをインポートすれば、400ピンを手入力することなく回路図シンボルとフットプリントを作成できます：
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
多くの一般的なチップについては、オンラインでフットプリントを見つけることもできます。チップの回路図とPCBのフットプリントを検索してダウンロードする方法については、私の回答を参照してください。.
ステップ4 - プロジェクト、ページ、プレースパーツを作成する
フットプリントとシンボルを作成またはインポートした後、プロジェクトとページを作成します。PCB プロジェクトに全ての部品を配置します。.
ステップ5 - 回路図を配線する（部品を接続する）
ネットリストに従って各ピンを配線する。これにより、部品間の論理的な接続が構築されます。.
ステップ6 - ネットリストのエクスポート／インポート
回路図には、すべてのピンとその接続が記載されています。回路図が完成したら、PCBレイアウトを開始します。PADS と Cadence の場合、回路図ツールと PCB ツールは別々です。回路図ツールからネットリストをエクスポートし、PCBツールにインポートする必要があります。Altium は回路図と PCB を統合しているので、ワンクリックでネットリストを転送できます。ネットリストのフォーマットは一般的に共有されているため、多くのツール間でエクスポートとインポートが可能です。OrCADとAllegroはかつて別々のツールでしたが、後にケイデンスの下で統合されました。.
ステップ7 - PCBフットプリントを描く
回路図シンボルのように、各部品にはPCBフットプリントが必要です。PCBフットプリントとは、パッドのセット、シルクスクリーン、ボード上でパーツが占めるスペースのことです。チップの写真とその機械的な図面から、フットプリントの描き方がわかります。パッドは通常ピンよりわずかに大きい。ソルダーマスクの開口部はパッドより大きい。ステンシル層はパッドサイズに合わせます。スルーホール部品の場合、内層にキープアウト層やネガ層が必要になることもあります。.
シルクスクリーンには通常、部品の外形とピン1マークが表示されます。SO14のような一般的なフットプリントの場合は、既存のライブラリからコピーできます。.
珍しい部品の場合は、データシートを使ってフットプリントを描いてください。.
ステップ8 - 基本的なPCBパラメータを設定する
ネットリストのインポート後、ボードの厚さ、レイヤー数、レイヤ ー・スタックの基本を設定します。この3つは基本ですが、出力ファイルに表示されるのは通常、層数だけです。レイヤ・スタックと基板の厚さは、通常、ファブリケーターにテキストで伝えられます。スタックアップ設計は、どの層が信号を伝え、どの層がプレーンで、どの層がプレーンとトレースを兼ねているかが重要です。4層ボードの場合、2層と3層はGNDとVCCになることが多く、上部と下部は配線になります。6層基板では、GNDを2層と5層に、VCCを3層か4層に配置する。8層以上の場合、選択肢は柔軟になる。.
ステップ9 - ボードのアウトラインを描く
ボードの形とキープアウトエリアを決める。.
ステップ10 - PCBに部品を配置する
フットプリントの準備ができたら、パーツを配置する。パーツがまだないためにフットプリントが不確かな場合は、他のパーツを先に配置し、後で戻ってきます。.
ステップ11 - ビア、トレース幅、スペーシングのデフォルト設定
デフォルトのビアサイズ、トレース幅、間隔を設定する。これらのデフォルトは配線中に適用されます。特殊なネットやパワーネットの場合は、一時的に調整してください。.
ステップ12 - 高度なルールを設定する
高速信号が存在する場合は、配線制約のルールを設定する。高度なルールには、差動ペアの幅/間隔、長さの一致制限、パッドのくびれ、最小クリアランスなどがある。例えば、DDR3信号は、アドレス、クロック、コマンドラインは等しい長さが必要ですが、データラインとDQSはそれぞれ長さを合わせる必要があります。長さの制御が悪いと、DDRのタイミングが崩れ、低速を余儀なくされます。詳細については、以下のDDRリソースを参照してください：
- DDRの動作原理とDQSの取り扱い： www.elecfans.com/d/682335.html
- 差動クロック、DQS & DQM： www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
ルールによっては、まずルーティングを行い、次にルールの変更とルールに沿った手直しが必要になる。.
ステップ13 - ポリゴン（シェイプ）のルートと描画
配線は、回路図のネットと銅のトレースを接続します。PCB設計のほとんどの時間は配線に費やされます。自動配線ツールは存在しますが、複雑な基板の場合、その結果はしばしば重いクリーンアップを必要とします。オートルーティングをうまく使うためのルールを設定できるエキスパートもいます。大電流ネットの場合、幅の広いトレースや銅線を使うことができる。パッドに接続されたプレーンゾーンをブロックネットワークとして使う。.
トレースの幅、間隔、角度、方向などです。ルーティングのコツについては後で説明する。.
ステップ 14 - シルクスクリーンの調整
シルクスクリーンのサイズ、位置、向きを調整し、組み立てやテスト時に部品番号が明確になるようにします。メーカーはロゴや日付コードを印刷することが多い。設計者は独自のメモを残すことがあります。.
ステップ 15 - ドリルファイルとガーバー（プロットファイル）のエクスポート
配置、配線、シルクスクリーンの後、製造ファイルをエクスポートできます。Altiumの場合、一部の中国ベンダーはプロジェクトファイルを直接受け取ります。PADSとCadenceの場合は、ドリルファイルとガーバーをエクスポートする必要があります。非円形の穴がある場合は、カッター用のフライスファイルもエクスポートします。.
ステップ16：製造パラメータと工程に関する注意事項の提供
設計ファイルはすべてのパラメーターを網羅しているわけではありません。ファイルが表現していないパラメータや要件については、テキストで指示を送る必要があります。指定するオプションについては、オンラインのボードハウスをチェックしてください。私はいくつかのボードハウスを知っています：JLCPCB、HQPCB、JietaiPCB、Xunjiexing、Xingsen、Lichuangなど。以下はJLCPCBのパラメーターのスクリーンショットです。多くのパラメーターはここでは見えないかもしれませんが、複雑な基板には必要です。オンラインプロトタイピングは通常、より簡単なニーズをカバーしています。.
ステップ17：インピーダンスとスタックアップの調整
高速信号の場合、ターゲット特性インピーダンスを指定する。ファブに送る場合は、スタックアップを設計し、ターゲットインピーダンスの線幅と間隔を計算する。配線時には、計算した値を使用してください。配線後、スタックアップと目標インピーダンスをファブに渡します。工場は材料と工程をチェックし、調整が必要かどうか、予想されるインピーダンスの誤差を教えてくれる。そうすれば、その目標が実現可能かどうかを確認することができる。最初にインピーダンスを計算せず、ただランダムにスタックアップと幅を選ぶと、ファブはインピーダンスとクロストークの両方の要求を満たせないかもしれない。.
ステップ18 - PCBA（組み立てとはんだ付け）
PCBファイルを完成させ、ファブが基板を作ったら、次のステップはPCBAです。大量生産の場合は、SMTラインを使用します。少量生産またはプロトタイプの場合、多くの部品（BGA、大きなグランドパッド、または非常に小さな0201部品を除く）を手作業ではんだ付けすることができます。10枚以下の少量生産の場合、手作業によるはんだ付けは、ライン組立よりも安価で迅速な場合がある。.
組み立てのためには、エクスポートして送信する必要がある：
- BOM（部品表）、,
- ピックアンドプレースファイル（部品の座標と向き）、,
- ペーストマスク・ガーバー（pastemaskレイヤーから）。.
すべての部品にラベルを貼り、パーツリストとリファレンスを送る。その後、PCBAの完成を待つ。.
PCB EDAソフトウェアを使えば、コンピュータ上で回路を設計し、フォトプロットファイルを生成することは非常に簡単です。しかし、PCBは構造的に複雑なので、実際の手順はまだかなり細かい。この記事では、どの回路が何をするかは説明しません。PCB設計のプロセスを紹介するだけです。フットプリント描画、回路図描画、PCBレイアウト、ガーバーエクスポートをカバーしています。大まかな流れと詳細を説明します。PCB設計ステップを理解し、各設計ステップと実際の製造ステップをマッチさせることを目的としています。.
ステップ1 - 適切なEDAツールを選ぶ
私が知っている多くの人が使っているEDAツールは、Altium Designer、Mentor PADS、Cadence（OrCADとAllegro）です。EAGLE、Protel、Lichuang EDAも使ったことがあります。初心者の方にはAltium Designerをお勧めします。プロになる可能性のある人には、ケイデンスをお勧めします。.
PCB設計の学習の大部分は、EDAソフトウェアを学ぶことです。ソフトウェアが分かれば、学習の焦点は回路設計と製造プロセスに移ります。その後、プロトコルやファームウェア、高速信号、EMCを学ぶこともあります。そうなると、EDAツールは単なるツールであり、主目的ではなくなります。.
ステップ2 - 回路回路図を確定する
例えば、懐中電灯の回路図は、コイン電池ホルダー2個、スイッチ1個、電流制限抵抗1個、LED1個という単純なものに見えます。これは非常にシンプルな回路図である。.
SPIイーサネットチップKSZ8851SNLのデモボードのような複雑な機能の場合、回路図には何十、何百もの部品と何百ものネットが必要になるかもしれません。このような回路図をどのように描くかは大きなテーマです。この記事では、PCB設計の流れの概要を説明します。.
ステップ3 - フットプリントを描く（コンポーネントパッケージ）
回路図にパーツを配置する前に、各パーツのフットプリントを描きます。フットプリントを描いた後、パーツを1つずつ回路図に配置していきます。フットプリントを最初に作成する理由は、同じパーツを何度も使用する場合、その都度再描画しないからです。保存したフットプリントを再利用するだけです。これにより、繰り返しの作業を大幅に削減できます。もしすべてのフットプリントが共有されていれば、設計者はこのステップを省くことができるでしょう。.
懐中電灯の例では、4種類の部品を使用した。それぞれの部品は回路図にシンボルがあります。それぞれのシンボルにピンと名前を追加します。これで部品の回路図シンボルが完成し、フットプリントへのリンクができます。抵抗、コンデンサ、インダクタのような一般的な部品については、ほとんどのEDAツールがシンボルとフットプリントの例を提供しています。ベンダーのライブラリからそれらを取り出し、自分のライブラリに保存することができます。.
特殊なICやコネクタのような珍しい部品の場合、チップのデータシートを使って手作業でフットプリントを描かなければならないことがよくあります。例えば、私は安川のメカトロリンク・プロトコル・チップを扱いました。このチップは安川電機からしか発売されておらず、データシートが提供されているだけで、すべてのEDAツール用のフットプリントは提供されていません。私はその100本のピンを1本ずつ配置し、名前と番号を割り当てなければなりませんでした。.
400ピンを持つZYNQ XC7Z010-1CLG400I BGAのような大型チップの場合、仕事は大きくなる。400ピンを配置し、番号と名前を追加する必要があります。大きなベンダーのチップの場合、メーカーは通常、ダウンロード可能なピン配置ファイルを提供しています。例えば、ザイリンクスはZynq-7000のピン配置ファイルを提供しており、これをインポートすれば、400ピンを手入力することなく回路図シンボルとフットプリントを作成できます：
https://www.xilinx.com/support/package-pinout-files/zynq7000-pkgs.html
多くの一般的なチップについては、オンラインでフットプリントを見つけることもできます。チップの回路図とPCBのフットプリントを検索してダウンロードする方法については、私の回答を参照してください。.
ステップ4 - プロジェクト、ページ、プレースパーツを作成する
フットプリントとシンボルを作成またはインポートした後、プロジェクトとページを作成します。PCB プロジェクトに全ての部品を配置します。.
ステップ5 - 回路図を配線する（部品を接続する）
ネットリストに従って各ピンを配線する。これにより、部品間の論理的な接続が構築されます。.
ステップ6 - ネットリストのエクスポート／インポート
回路図には、すべてのピンとその接続が記載されています。回路図が完成したら、PCBレイアウトを開始します。PADS と Cadence の場合、回路図ツールと PCB ツールは別々です。回路図ツールからネットリストをエクスポートし、PCBツールにインポートする必要があります。Altium は回路図と PCB を統合しているので、ワンクリックでネットリストを転送できます。ネットリストのフォーマットは一般的に共有されているため、多くのツール間でエクスポートとインポートが可能です。OrCADとAllegroはかつて別々のツールでしたが、後にケイデンスの下で統合されました。.
ステップ7 - PCBフットプリントを描く
回路図シンボルのように、各部品にはPCBフットプリントが必要です。PCBフットプリントとは、パッドのセット、シルクスクリーン、ボード上でパーツが占めるスペースのことです。チップの写真とその機械的な図面から、フットプリントの描き方がわかります。パッドは通常ピンよりわずかに大きい。ソルダーマスクの開口部はパッドより大きい。ステンシル層はパッドサイズに合わせます。スルーホール部品の場合、内層にキープアウト層やネガ層が必要になることもあります。.
シルクスクリーンには通常、部品の外形とピン1マークが表示されます。SO14のような一般的なフットプリントの場合は、既存のライブラリからコピーできます。.
珍しい部品の場合は、データシートを使ってフットプリントを描いてください。.
ステップ8 - 基本的なPCBパラメータを設定する
ネットリストのインポート後、ボードの厚さ、レイヤー数、レイヤ ー・スタックの基本を設定します。この3つは基本ですが、出力ファイルに表示されるのは通常、層数だけです。レイヤ・スタックと基板の厚さは、通常、ファブリケーターにテキストで伝えられます。スタックアップ設計は、どの層が信号を伝え、どの層がプレーンで、どの層がプレーンとトレースを兼ねているかが重要です。4層ボードの場合、2層と3層はGNDとVCCになることが多く、上部と下部は配線になります。6層基板では、GNDを2層と5層に、VCCを3層か4層に配置する。8層以上の場合、選択肢は柔軟になる。.
ステップ9 - ボードのアウトラインを描く
ボードの形とキープアウトエリアを決める。.
ステップ10 - PCBに部品を配置する
フットプリントの準備ができたら、パーツを配置する。パーツがまだないためにフットプリントが不確かな場合は、他のパーツを先に配置し、後で戻ってきます。.
ステップ11 - ビア、トレース幅、スペーシングのデフォルト設定
デフォルトのビアサイズ、トレース幅、間隔を設定する。これらのデフォルトは配線中に適用されます。特殊なネットやパワーネットの場合は、一時的に調整してください。.
ステップ12 - 高度なルールを設定する
高速信号が存在する場合は、配線制約のルールを設定する。高度なルールには、差動ペアの幅/間隔、長さの一致制限、パッドのくびれ、最小クリアランスなどがある。例えば、DDR3信号は、アドレス、クロック、コマンドラインは等しい長さが必要ですが、データラインとDQSはそれぞれ長さを合わせる必要があります。長さの制御が悪いと、DDRのタイミングが崩れ、低速を余儀なくされます。詳細については、以下のDDRリソースを参照してください：
- DDRの動作原理とDQSの取り扱い： www.elecfans.com/d/682335.html
- 差動クロック、DQS & DQM： www.cnblogs.com/edadoc/p/6387049.html
ルールによっては、まずルーティングを行い、次にルールの変更とルールに沿った手直しが必要になる。.
ステップ13 - ポリゴン（シェイプ）のルートと描画
配線は、回路図のネットと銅のトレースを接続します。PCB設計のほとんどの時間は配線に費やされます。自動配線ツールは存在しますが、複雑な基板の場合、その結果はしばしば重いクリーンアップを必要とします。オートルーティングをうまく使うためのルールを設定できるエキスパートもいます。大電流ネットの場合、幅の広いトレースや銅線を使うことができる。パッドに接続されたプレーンゾーンをブロックネットワークとして使う。.
トレースの幅、間隔、角度、方向などです。ルーティングのコツについては後で説明する。.
ステップ 14 - シルクスクリーンの調整
シルクスクリーンのサイズ、位置、向きを調整し、組み立てやテスト時に部品番号が明確になるようにします。メーカーはロゴや日付コードを印刷することが多い。設計者は独自のメモを残すことがあります。.
ステップ 15 - ドリルファイルとガーバー（プロットファイル）のエクスポート
配置、配線、シルクスクリーンの後、製造ファイルをエクスポートできます。Altiumの場合、一部の中国ベンダーはプロジェクトファイルを直接受け取ります。PADSとCadenceの場合は、ドリルファイルとガーバーをエクスポートする必要があります。非円形の穴がある場合は、カッター用のフライスファイルもエクスポートします。.
ステップ16：製造パラメータと工程に関する注意事項の提供
デザイン・ファイルはすべてのパラメータを網羅しているわけではありません。設計ファイルで表現できないパラメータや要件については、テキストで指示を送る必要があります。指定が必要なオプションについては、以下のオンライン注文ページを参照してください。 フィリファスト (https://flj-pcb.com/).
以下はパラメーターの例を示すスクリーンショットです。複雑なボードの場合、表示されている以外にもパラメータが必要な場合があります。オンラインPCBプロトタイピングは、通常、より簡単な要件をカバーしています。.
ステップ17：インピーダンスとスタックアップの調整
高速信号の場合、ターゲット特性インピーダンスを指定する。ファブに送る場合は、スタックアップを設計し、ターゲットインピーダンスの線幅と間隔を計算する。配線時には、計算した値を使用してください。配線後、スタックアップと目標インピーダンスをファブに渡します。工場は材料と工程をチェックし、調整が必要かどうか、予想されるインピーダンスの誤差を教えてくれる。そうすれば、その目標が実現可能かどうかを確認することができる。最初にインピーダンスを計算せず、ただランダムにスタックアップと幅を選ぶと、ファブはインピーダンスとクロストークの両方の要求を満たせないかもしれない。.
ステップ18 - PCBA（組み立てとはんだ付け）
PCBファイルを完成させ、ファブが基板を作ったら、次のステップはPCBAです。大量生産の場合は、SMTラインを使用します。少量生産またはプロトタイプの場合、多くの部品（BGA、大きなグランドパッド、または非常に小さな0201部品を除く）を手作業ではんだ付けすることができます。10枚以下の少量生産の場合、手作業によるはんだ付けは、ライン組立よりも安価で迅速な場合がある。.
組み立てのためには、エクスポートして送信する必要がある：
- BOM（部品表）、,
- ピックアンドプレースファイル（部品の座標と向き）、,
- ペーストマスク・ガーバー（pastemaskレイヤーから）。.
すべての部品にラベルを貼り、パーツリストとリファレンスを送る。その後、PCBAの完成を待つ。.
