作成された回路図に基づいてシミュレーションを実行し、ガーバー/ドリルファイルをエクスポートすることでPCBを設計できます。設計内容に関わらず、エンジニアは回路(および電子部品)のレイアウト方法と動作を正確に理解する必要があります。電子工学エンジニアにとって、PCB設計に適したソフトウェアツールを見つけるのは困難な作業です。あるPCBプロジェクトでうまく機能するソフトウェアツールが、他のプロジェクトでは必ずしもうまく機能しない場合があります。エンジニアが求めるのは、直感的で便利な機能を備え、リスクを最小限に抑える安定性を備え、複数のプロジェクトに対応できる堅牢なライブラリを備えた基板設計ツールです。
ハードウェアの問題
IoTプロジェクトでは、パフォーマンスと信頼性を確保するために統合が不可欠です。PCBにおける導電性材料と非導電性材料の統合には、IoT設計者が設計の様々な電気的側面と機械的側面の相互作用を綿密に検討する必要があります。特に、部品サイズの小型化が進むにつれて、PCBの電気加熱はますます重要になっています。同時に、機能要件も高まっています。設計の性能基準を満たすには、温度応答、基板上の電気部品の動作、そして全体的な熱管理が、システムの機能性と信頼性にとって極めて重要です。
PCBは保護を確実にするために絶縁する必要があります。基板上に配置された銅配線を保護することで、電子システムを構成する短絡を防止します。合成樹脂粘着紙(SRBP、FR-1、FR-2)などの低コストの代替品と比較して、FR-4は、その物理的/機械的特性、特に高周波でのデータ保持能力、高い耐熱性、そして他の材料よりも吸水性が低いことから、基板材料としてより適しています。FR-4は、高級建築物だけでなく、産業機器や軍事機器にも広く使用されています。また、超高絶縁(超高真空またはUHV)にも対応しています。
しかし、PCB基板としてのFR-4は、製造工程における化学処理に起因する多くの制約を抱えています。特に、この材料は、介在物(気泡)や条線(縦方向の気泡)が発生しやすく、ガラス繊維が変形しやすいという問題があります。これらの欠陥は、絶縁耐力のばらつきやPCB配線性能の低下につながる可能性があります。この新しいエポキシガラス材料は、これらの問題を解決します。
他によく使用される材料としては、ポリイミド/ガラス繊維(高温に耐え、より硬い)やカプトン(柔軟で軽量、ディスプレイやキーボードなどの用途に適している)などがあります。誘電体(基板)材料を選択する際に考慮すべき要素としては、熱膨張係数(CTE)、ガラス転移温度(Tg)、熱伝導率、機械的剛性などがあります。
軍事/航空宇宙向けPCBには、レイアウト仕様と100%のDFT(Design for Test)カバレッジに基づく特別な設計上の配慮が必要です。MIL-STD-883規格は、軍事および航空宇宙システムに適したマイクロエレクトロニクスデバイスの試験方法と手順を規定しており、これには機械的および電気的試験、製造および訓練手順、そしてシステム全体にわたって一貫した品質と信頼性を確保するためのその他の管理が含まれます。こうしたデバイスの様々な用途について解説します。
車載システムの電子機器設計は、様々な規格への準拠に加え、集積回路のパッケージングに関するAEC-Q100の機械・電子試験など、一連の規則に従う必要があります。クロストークの影響は車両の安全性に影響を与える可能性があります。これらの影響を最小限に抑えるため、PCB設計者は信号線と電源線間の距離を適切に設定する必要があります。設計と標準化は、干渉制限や放熱条件を満たすためにシステム動作への影響を回避するために設計上の修正が必要な部分を自動的にハイライト表示するソフトウェアツールによって促進されます。
注記:
回路自体からの干渉は信号品質への脅威ではありません。車内のPCBはノイズに晒されており、それが車体と複雑な相互作用を起こして回路に不要な電流を誘導します。自動車の点火システムによって引き起こされる電圧スパイクや変動は、部品の加工許容範囲をはるかに超える動作を強いる可能性があります。
ソフトウェアの問題
今日のPCBレイアウトツールは、設計者の要件を満たすために、複数の機能の組み合わせを備えている必要があります。適切なレイアウトツールの選択は、PCB設計において最初に考慮すべき事項であり、決して軽視してはなりません。今日のPCBレイアウトツールには、Mentor Graphics、OrCAD Systems、Altiumなどの製品があります。
アルティウムデザイナー
Altium Designerは、現在市場にあるハイエンドPCB設計パッケージの一つです。自動配線機能、線長調整機能、3Dモデリングのサポートを備えています。Altium Designerには、回路図のキャプチャからHDL、回路シミュレーション、信号解析、PCB設計、FPGA組み込み開発まで、あらゆる回路設計タスクに対応するツールが含まれています。
メンター・グラフィックスのPCBレイアウト・プラットフォームは、今日のシステム設計者が直面する主要な課題、すなわち、正確でパフォーマンスを重視し、再利用性を重視したネスト設計、高密度で複雑なトポロジにおける効率的な配線、そして電気機械的な最適化といった課題に対処します。このプラットフォームの主要機能であり、業界にとって重要なイノベーションとなるのが、スケッチ・ルーターです。これにより、設計者は自動/アシストによるアンコイリング・プロセスを完全にインタラクティブに制御することができ、手動によるアンコイリングと同等の品質を、はるかに短時間で実現できます。
OrCAD PCBエディター
OrCAD PCB Editorは、シンプルなものから複雑なものまで、あらゆる技術レベルの基板設計向けに開発されたインタラクティブな環境です。Cadence Allegro PCB DesignerのPCBソリューションとの真の拡張性により、OrCAD PCB Editorは設計チームの技術開発をサポートし、同じグラフィカルインターフェースとファイル形式を維持しながら、高速性、シグナルインテグリティなどの制約を管理することができます。
ガーバーファイル
業界標準のガーバーファイル形式は、PCB製造における設計情報の伝達に使用されます。多くの点で、ガーバーは電子工学におけるPDFSに似ています。ガーバーは、混合マシン制御言語で記述された小さなファイル形式です。これらのファイルは、回路ブレーカーソフトウェアによって生成され、PCBメーカーのCAMソフトウェアに送信されます。
電子システムを車両やその他の複雑なシステムに安全に統合するには、ハードウェアとソフトウェアの両方において重要な考慮事項が求められます。エンジニアは設計の反復回数と開発時間を最小限に抑えることを目指しており、これはワークフローを実装する設計者にとって大きなメリットとなります。