プリント回路基板 （PCB）は、ほぼすべての種類の電子機器に見られます。 機器に電子部品がある場合、それらはさまざまなサイズのPCBにも埋め込まれています。 PCBの主な機能は、さまざまな小さな部品を固定することに加えて、コンポーネント間の電気的接続を提供することです。 電子機器がますます複雑になるにつれて、ますます多くの部品が必要になり、PCB上の配線と部品はますます高密度になります。 標準のPCBは次のようになります。 Bare Board (without parts on it) is also often referred to as “Printed Wiring Board (PWB).

The substrate of the board itself is made of a material that is insulated and resistant to bending. 表面に見える小さな線材は銅箔です。 もともと銅箔は板全体を覆っており、製造工程で真ん中の部分がエッチングされ、残りの部分が小さな線のネットワークになります。 これらの線は導体または導体と呼ばれ、PCB上の部品への電気的接続を提供するために使用されます。

部品をPCBに固定するために、ピンを配線に直接はんだ付けします。 基本的なPCBでは、部品は片側に集中し、ワイヤは反対側に集中します。 そのため、ピンがボードを通り抜けて反対側に移動できるようにボードに穴を開けて、パーツのピンが反対側に溶接されるようにする必要があります。 このため、PCBの前面と背面はそれぞれコンポーネント側とはんだ側と呼ばれます。

PCBに製造後に取り外したり、元に戻したりできる部品がある場合は、ソケットを使用して部品を取り付けます。 ソケットはボードに直接溶接されているため、部品は任意に分解できます。 ZIF（Zero InserTIon Force）プラグを使用すると、パーツを簡単に挿入したり取り外したりできます。 ソケットの横にあるレバーは、部品を挿入した後、部品を所定の位置に保持できます。

XNUMXつのPCBSを相互に接続するには、エッジコネクタが一般的に使用されます。 ゴールドフィンガーには、実際にはPCB配線の一部である多数の裸の銅パッドが含まれています。 通常、接続するには、一方のPCBの金の指をもう一方のPCBの適切なスロット（一般に拡張スロットと呼ばれます）に挿入します。 In computers, display cards, sound cards, and similar interface cards are connected to the motherboard by means of a gold finger.

PCBの緑色または茶色は、はんだマスクの色です。 この層は、銅線を保護し、部品が間違った場所に溶接されるのを防ぐ絶縁シールドです。 別のシルクスクリーンがはんだ抵抗層に印刷されます。 通常、ボード上のパーツの位置を示すために、単語と記号（ほとんどが白）で印刷されます。 Screen printing surface is also known as icon surface

伝説）。

片面ボード

前述したように、基本的なPCBでは、部品は片側に集中し、ワイヤは反対側に集中します。 Because the wire appears on only one side, we call this TYPE of PCB single-sided. 単一のパネルには回路の設計に多くの厳しい制限があったため（片側しかないため、配線が交差できず、別のパスをたどる必要がありました）、初期の回路だけがそのようなボードを使用していました。

両面ボード

回路基板は両側に配線があります。 ただし、両方のワイヤを使用するには、両側の間に適切な電気接続が必要です。 回路間のこの「ブリッジ」は、ガイドホール（V​​IA）と呼ばれます。 ガイド穴は、PCBの小さな穴で、金属で充填またはコーティングされており、両側のワイヤに接続できます。 Because a dual panel has twice the area of a single panel, and because the wiring can be interlaced (it can be wound around to the other side), it is better for more complex circuits than a single panel.

多層ボード

配線できる面積を増やすために、より多くの片面または両面配線板が使用されます。 多層基板は複数の二重パネルを使用し、断熱材の層が各パネルの間に配置され、接着（プレス）されます。 ボードの層の数は、いくつかの独立した配線層、通常は最も外側のXNUMXつの層を含む偶数の層を表します。 Most motherboards are built with four to eight layers, but it is technically possible to build up to 100 layers of PCBS. ほとんどの大型スーパーコンピューターはかなりの数のマザーボード層を使用していますが、通常のコンピューターのクラスターに置き換えることができるため、使用されなくなりました。 Because the layers in a PCB are so tightly integrated, it’s not always easy to see the actual number, but if you look closely at the motherboard, you might be able to.

今述べたガイドホール（V​​IA）は、ダブルパネルに適用する場合、ボード全体を貫通している必要があります

ただし、多層では、一部のラインのみを接続する場合、ガイド穴が他のレイヤーのラインスペースの一部を浪費する可能性があります。 Buried vias and Blind vias avoid this problem because they only penetrate a few layers. Blind holes connect several layers of internal PCBS to surface PCBS without penetrating the entire board. 埋設穴は内部PCBにのみ接続されているため、表面から光が見えません。

多層PCBでは、層全体がアース線と電源に直接接続されています。 したがって、レイヤーを信号、電源、またはグラウンドに分類します。 If the parts on the PCB require different power supplies, they usually have more than two power and wire layers.

部品包装技術

スルーホール技術

The technique of placing parts on one side of the board and welding the pins to the other side is called “Through Hole Technology (THT)” encapsulation. この部分は多くのスペースを占有し、ピンごとにXNUMXつの穴が開けられます。 そのため、それらの接合部は実際には両側のスペースを占め、はんだ接合部は比較的大きくなります。 一方、THT部品は、後で説明する表面実装技術（SMT）部品よりもPCBへの接続が良好です。 有線ソケットや同様のインターフェースのようなソケットは、耐圧性が必要であるため、通常はTHTパッケージです。

表面実装技術

表面実装技術（SMT）部品の場合、ピンは部品と同じ側で溶接されます。 This technique does not drill holes in the PCB for each pin.

表面接着部品は、両面で溶接することもできます。

SMTの部品もTHTよりも小さくなっています。 Compared to PCB with THT parts, PCB with SMT technology is much denser. SMT package parts are also less expensive than THT’s. So it’s no surprise that most of today’s PCBS are SMT.

部品のはんだ接合部やピンが非常に小さいため、手作業で溶接することは非常に困難です。 However, given that current assembly is fully automated, this problem will only occur when repairing parts.

The design process

PCB設計では、実際には、正式な配線の前に実行する必要のある非常に長いステップがあります。 主な設計プロセスは次のとおりです。

The system specifications

まず、電子機器のシステム仕様を計画する必要があります。 It covers system functionality, cost constraints, size, operation and so on.

System function block diagram

次のステップは、システムの機能ブロック図を作成することです。 正方形間の関係もマークする必要があります。

Divide the system into several PCBS

システムを複数のPCBSに分割すると、サイズが小さくなるだけでなく、システムが部品をアップグレードおよび交換できるようになります。 The system function block diagram provides the basis for our segmentation. Computers, for example, can be divided into motherboards, display cards, sound cards, floppy disk drives, power supplies, and so on.

使用するパッケージ方法と各PCBのサイズを決定します

Once the technology and the number of circuits used for each PCB has been determined, the next step is to determine the size of the board. If the design is too large, then packaging technology will have to change, or re-split the action. 技術を選択する際には、回路図の品質と速度も考慮に入れる必要があります。

すべてのPCBの回路図を描く

パーツ間の相互接続の詳細は、スケッチに示されている必要があります。 すべてのシステムのPCBを説明する必要があり、現在、それらのほとんどはCAD（コンピューター支援設計）を使用しています。 Here is an example of a CircuitMakerTM design.

PCB回路の概略図

Preliminary design of simulation operation

To ensure that the designed circuit diagram works, it must first be simulated using computer software. このようなソフトウェアは、青写真を読み取って、回路がさまざまな方法でどのように機能するかを示すことができます。 This is much more efficient than actually making a sample PCB and then measuring it manually.

Place the parts on the PCB

パーツの配置方法は、パーツの相互接続方法によって異なります。 それらは最も効率的な方法でパスに接続する必要があります。 効率的な配線とは、可能な限り最短の配線と少ない層（ガイド穴の数も減らす）を意味しますが、実際の配線ではこれに戻ります。 Here is what the bus looks like on a PCB. Placement is important in order for each part to have perfect wiring.

高速で正しく動作して配線の可能性をテストします

今日のコンピュータソフトウェアの中には、各コンポーネントの配置が正しく接続されているかどうか、または高速で正しく動作できるかどうかを確認できるものがあります。 このステップはパーツの配置と呼ばれますが、これについてはあまり詳しく説明しません。 回路設計に問題がある場合は、回路を現場に輸出する前に部品を再配置することもできます。

PCB上のエクスポート回路

The connections in the sketch will now look like wiring in the field. 通常、この手順は完全に自動化されていますが、通常は手動で変更する必要があります。 Below is the wire template for 2 laminates. 赤と青の線は、それぞれPCB部品層と溶接層を表しています。 白いテキストと四角は、スクリーン印刷面のマーキングを表しています。 赤い点と円は、ドリル穴とガイド穴を表しています。 右端には、PCBの溶接面に金の指があります。 The final composition of this PCB is often referred to as the working Artwork.

各デザインは、ライン間の最小予約ギャップ、最小ライン幅、およびその他の同様の実際的な制限など、一連のルールに準拠する必要があります。 これらの仕様は、回路の速度、送信される信号の強度、消費電力とノイズに対する回路の感度、および材料と製造装置の品質によって異なります。 If the strength of the current increases, the thickness of the wire must also increase. PCBのコストを削減すると同時に、層の数を減らすために、これらの規制がまだ満たされているかどうかにも注意を払う必要があります。 2つ以上の層が必要な場合は、通常、信号層の伝送信号が影響を受けないようにするために電源層と接地層が使用され、信号層のシールドとして使用できます。

回路テスト後の配線

ラインがワイヤーの後ろで適切に機能していることを確認するには、最終テストに合格する必要があります。 このテストでは、誤った接続もチェックされ、すべての接続は概略図に従います。

確立してファイルする

現在、PCBSを設計するためのCADツールは多数あるため、メーカーはボードを製造する前に、規格を満たすプロファイルを持っている必要があります。 いくつかの標準仕様がありますが、最も一般的なのはガーバーファイル仕様です。 ガーバーファイルのセットには、各信号、電源および接地層の計画、はんだ抵抗層とスクリーン印刷面の計画、およびドリルと変位の指定されたファイルが含まれています。

Electromagnetic compatibility problem

EMC仕様に準拠して設計されていない電子デバイスは、電磁エネルギーを放出し、近くのアプライアンスに干渉する可能性があります。 EMCは、電磁干渉（EMI）、電磁界（EMF）、および無線周波数干渉（RFI）に最大制限を課しています。 この規制により、アプライアンスおよびその他の近くのアプライアンスの正常な動作を保証できます。 EMCは、あるデバイスから別のデバイスに散乱または送信できるエネルギーの量に厳しい制限を課し、外部EMF、EMI、RFIなどに対する感受性を低減するように設計されています。 言い換えると、この規制の目的は、電磁エネルギーがデバイスに出入りするのを防ぐことです。 これは解決するのが非常に難しい問題であり、通常、電源層と接地層を使用するか、PCBSを金属製の箱に入れることで解決します。 The power and ground layers protect the signal layer from interference, and the metal box works equally well. これらの問題についてはあまり詳しく説明しません。

回路の最高速度はEMC適合性に依存します。 導体間の電流損失などの内部EMIは、周波数が高くなるにつれて増加します。 両者の電流差が大きすぎる場合は、必ず距離を長くしてください。 This also tells us how to avoid high voltage and minimize the current consumption of the circuit. 配線の遅延率も重要なので、長さが短いほど良いです。 したがって、配線が良好な小さなPCBは、大きなPCBよりも高速でうまく機能します。