ブレッドボードのプロトタイプ回路から独自の設計まで プリント回路基板 (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. PCB設計は、電気工学（EE）プロセスで実行されます。 EEは、デバイスの動作の「頭脳」を作成します。 Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

PCB設計を開始する前に知っておくべきこと：1。PCBサイズ–これは製品サイズ（またはケースサイズ）によって異なります。 製品の寸法は、電子工学の設計プロセス中に定義されます。 You can watch a video about it here. 2. PCB層–層が多いほど、PCBの製造は複雑になります。 （注：単層PCBでも複雑なPCBになる可能性がありますが、ここではPCBの作成の複雑さについて説明します。 PCBの層が多いほど、製造コストが高くなります。）

レイヤー2は通常、単純なおもちゃ製品に使用されます

IoT関連製品は通常4層です

Typically used for floors 6 to 8 of a smartphone or smartwatch.

3.PCBメーカーの要件。 Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

PCBメーカーに提供する必要のある情報：

レイヤーの数（例：2、4、6など）

材料（FR-2（フェノール綿紙）、FR-3（綿紙とエポキシ）、FR-4（ガラス繊維とエポキシ… など）

厚さ（0.5 mm、1.0mm… など）

色（赤、黒、緑… など）

表面処理（ENIG（化学ニッケル/金浸漬）、DIG（直接金浸漬）、OSP（有機はんだ付け可能な防腐剤など）

銅の重量（1オンス（35ミクロン）、2オンス（70ミクロン）、0.5オンス（18ミクロン）… など）

ガーバーファイル

PCB設計プロセス：

回路設計

For this step, you need to create the schematic. これは、青写真のように、コンポーネントが互いにどのように関連し、連携するかを説明するドキュメントです。 回路図面ファイルを作成するには、ソフトウェアツールが必要です。 Quadceptは、製造用のPCBSの設計用に最適化されており（たとえば、部品表（BoM）をツールから直接エクスポートできます）、クラウドベースであるため、どこでも簡単に使用できます。 （メーカーと学生向けに、無料のコミュニティバージョンのツールも提供しています。）

あなたが選ぶことができる他の多くのオプションがあります：

Altium

ExpressPCB

周波数デバイス

キカド

Cadence allegro

マット

コンピューター支援設計

ディップトレース

After you install the selected tools, you need to obtain the component specifications for each selected component. They can often be found on the supplier’s website. モデルファイルは、回路図面を描くのに役立ちます。 このコンポーネントは、モデルをソフトウェアツールにアップロードすると、データベースで使用できるようになります。 次に、データマニュアルに従い、コンポーネントの各ピンにワイヤを接続するだけです。 （注：設計プロセスの詳細は、選択したソフトウェアツールによって異なります）。

Each schematic symbol needs to have an associated PCB space area to define the physical dimensions of the component and the location of the through holes on the brazing pad or PCB. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

ダイアグラムの例

A good schematic is really important, as it will be used as a reference document during debugging and is a good communication tool with other engineers. さらに、製造元は、このドキュメントのテストポイントを通じてデバイスをテストできます。

PCBレイアウト+ガーバーファイル

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. 回路図とは異なり、PCBレイアウトは、実際のコンポーネントをPCB上の正確な位置に割り当て、PCB層間で各コンポーネントを接続するトラックを示します。 この記事の冒頭で述べたように、レイヤーが多いほど、必要な製造が複雑になり、コストが高くなります。

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Then, be sure to group the components of each section into the same area. このようにして、導電性トレースを短くし、ノイズと干渉を減らすことができます。

PCBを設計するときは、ユーザーインターフェイス（UI）にも留意する必要があります。 最高のユーザーエクスペリエンスを実現するには、オーディオジャック、コネクタ、LEDなどのコンポーネントを調整する必要があります。

レイアウトが設計されると、ガーバーファイルが生成されます。 PCBAメーカーがこのファイルを使用します。 これらのサービスを提供している企業はたくさんありますが、HWTrekのエキスパートライブラリから、Kingbrother、NexPCB、およびHKPCBをお勧めします。

Sample Gerber files

PCB上のコンポーネントの配置は非常に重要です。 一部のコンポーネントは互いに干渉し、予期しない動作を引き起こす可能性があります。 たとえば、BluetoothモジュールとWi-Fiモジュールの両方がある場合、それらの帯域幅は同じ2.4GHzであり、誤って配置すると互いに干渉する可能性があります。

PCB production

ガーバーファイルをPCBメーカーに送信すると、PCBメーカーはボードを印刷できます。 これは、PCBにコンポーネントを追加し、PCBA（プリント回路基板アセンブリ）を製造するための基盤をさらに構築するための基礎となります。

組み立てられていないPCBS

PCBA (Assembly)

材料の準備

EE設計のこの時点で、コンポーネントを選択しているはずです。 You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. 注意が必要な事項：

Lead time: As these components come from different suppliers, keep the lead time in mind. 一部のコンポーネントでは、最大8〜16週間かかる場合があります。

梱包：コンポーネントを個別に梱包するのではなく、SMTマシンによって自動的にピックアップされるリールからコンポーネントを注文します。

最小注文数量：コンポーネントの最小注文数量を確認します。 最小額より少ない金額を購入する場合は、選択したコンポーネントの在庫があることを確認してください。 For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. その他の数量については、製造元にアドバイスを求めてください。

損失：損失をカバーするために10％多く注文します（高価なコンポーネント用ではありません）

PCBにコンポーネントをインストールします

PCB表面にコンポーネントを配置する主な方法はXNUMXつあります。

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. これは、一般にDIPまたはデュアルインラインパッケージングプロセスとしても知られています。 （このビデオで進行中のSMTを参照してください）

SMT（表面実装技術）は、大量生産で最も広く使用されている方法です。 これは、時間とお金を節約し、人的エラーを回避する、高速で正確なSMTマシンによって実行されます。

覚えておくべきこと：

コンポーネントタイプ番号は、製造元のSMTマシンがサポートできるリールの数を超えてはなりません。

XNUMXつのSMTのみが実行されるように、コンポーネントを最適化および統合します。

メーカーがサポートするフットプリントパッドのサイズを確認してください。 そうしないと、SMTマシンはコンポーネントを正しくインストールできません。

一部の大きなコンポーネントは、機械でインストールできず、手動のスルーホール作業が必要です。 したがって、両方のテクノロジーを同じボードで使用できます。

スルーホール方式で手動で追加する必要のあるコンポーネントは、製造コストに追加されます。

リフローはんだ付け

リフローはんだ付けは、コンポーネントをPCBに「付着」させるプロセスです。 PCBAは、はんだが溶けるまでリフロー炉または赤外線ランプを介して回路基板を加熱し、それによってコンポーネントを回路基板に恒久的に取り付けます。

ここで最も難しいのは、各パッケージの熱特性が異なるため、コンポーネントを過熱したり損傷したりしないことです。 信頼できるPCBAメーカーがこのプロセスを担当し、必要なのはコンポーネントの仕様を提供することだけです。

還流プロセス。

その他の溶接方法：

ウェーブはんだ付けは、主にスルーホール方式で手動で部品を追加する場合に使用されます。 この場合、PCBAは最初にリフロー溶接炉を通過し、ウェーブはんだ付け機を通過した後に他のコンポーネントを手動で追加します。

鉄溶接は特定の状況に使用できますが、大量生産には使用できません。

テストと品質検査

このステップでは、PCBAサンプルをテストして品質を確認します。 一般的なエラーは次のとおりです。切断されたコンポーネントの短絡、位置がずれたコンポーネント、および接続してはならない回路の部分。 最も一般的なテスト：

ICT（オンラインテスト）。 When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. ICTマシンは、これらのテストポイントを開回路/短絡テストに使用し、受動部品（抵抗、インダクタ、コンデンサ）の値が仕様範囲内にあることを確認します。

AOI（自動光学検査）。 Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. このテストでは、ハードウェアの作成者は、パラメータを設定するために仕様と公差を製造元に提供する必要があります。

X線。 PCBAメーカーは、X線を使用してBGA（ボールグリッドアレイ）コンポーネントの溶接状態をチェックします。 このビデオのX線テストをご覧ください。