電子機器の小型化が進む現代において、PCB設計の重要性が増しています。しかし、セミナーや本などを通じてPCB設計を学習した機会がなく、その目的や手法を詳しく知らない方が多いかもしれません。この記事では、PCB設計の概要や成功させるポイントを解説します。最後までお読みいただくと、高品質で効率の良い基板を設計するための知識が得られるでしょう。

PCB設計とは

PCB（Printed Circuit Board）設計とは、電気的な接続を示した回路図の情報に基づいて、基板を製造するためのデータを作成する工程のことです。PCB設計は、製品の性能や信頼性、コストといった重要な項目に影響を与えるため、電子機器開発における設計の核心部分と言えます。

PCBとPWBとの違い

PCBと似た言葉にPWBがありますが、その意味は大きく異なります。

＜PCB・PWBとは＞

• PCB（Printed Circuit Board）：部品が実装された後のプリント基板
• PWB（Printed Wiring Board）：部品が実装される前の基板のこと

ただし、現代において両者の定義は曖昧です。特に設計や製造の現場においては、部品実装前の基板もPCBと呼ばれることもあります。

電子機器におけるPCBの役割

電子機器において、PCBは次のような役割を果たしています。

＜電子機器におけるPCBの役割＞

• 電気的な接続
• 絶縁
• 電子部品の固定
• スペースの有効活用

最大の役割は、電子部品を電気的に接続することです。特定の部品同士が直接接触することによるショートを避けるために、絶縁体の役割を果たすことも特徴と言えます。また、電子部品をしっかりと固定することや、回路をコンパクトにまとめることも、PCBが担う役割です。

PCB設計の目的

PCB設計は、次のような目的を果たすために行われます。

＜PCB設計の役割＞

• 電気的特性の最適化
• 量産・製造を見据えた効率性
• コスト削減と品質確保

それぞれのポイントを見ていきましょう。

電気的特性の最適化

PCB設計における最大の目的と言えるのは、電気的特性の最適化です。電子部品の配置や導電パターンの配置を最適化することにより、性能を高めることを目的とします。

電気的特性を最適化させることにより、信号の伝達速度が上がるほか、ノイズの抑制や熱管理の改善につながります。これにより、回路の安定性、寿命、信頼性が向上するのです。製品のトラブルや故障を未然に防ぐ上でも、PCB設計は重要な工程と言えるでしょう。

量産・製造を見据えた効率性

製造時の効率性を確保することもPCB設計が果たす役割です。特に量産化を見据えた場合、製造プロセスを効率化するためのPCB設計が求められます。

PCB設計において作成したデータは、製造工程の部品配置や配線の基準となる重要なデータです。高品質なPCB設計により、量産時の再設計が不要となり、工場や生産ラインが変わったとしても効率的な製造を続けられます。また、データを残すことにより、製造中の品質管理も行いやすいでしょう。

コスト削減と品質確保

コスト削減もPCB設計における目的の一つです。配置の最適化を追求することにより、基板の面積を減らして機材や銅の使用量を削減できるため、低コスト化を実現できます。また、PCB設計のフェーズでシミュレーションや検証を重ねることにより、潜在的な問題を発見しやすくなり、これが品質確保にもつながります。

PCB設計を成功させるためのポイント

PCB設計を成功させるために重要なのは、回路図のとおりに配線することだけではありません。次のポイントを意識することも、PCB設計において重要です。

＜PCB設計を成功させるためのポイント＞

• 設計ルールの遵守
• ノイズ対策と信号品質の確保
• 発熱・電源ラインの考慮
• テストポイント設計の工夫

ここでは、上記4つのポイントをわかりやすく解説します。

設計ルールの遵守

PCB設計を成功させる上でもっとも重要なのは、設計ルールを遵守することです。ルールに沿ってPCB設計を行うことにより、製造不良を防止しやすくなるほか、製造コストも最適化できます。

例えば「配線幅を0.15mm以上」といったルールを遵守すると、ショートなどの重大なリスクを未然に防ぎやすくなるでしょう。CADのようなツール・ソフトを活用し、デザインルールチェック（DRC）を実行することにより、設計ルールのチェック漏れを防止できます。

ノイズ対策と信号品質の確保

高周波信号や高速デジタル信号を扱う場合、基板がノイズを発生させたり、ノイズの影響を受けやすくなったりします。その対策を行い、信号品質を確保することも、PCB設計において重要です。

例えば、グラウンドプレーン（幅）を広く取ることにより、電圧変動を最小限に抑え、ノイズを軽減できます。電源やグラウンドを分離してスイッチングノイズを抑えたり、シールドグラウンドを使用したりなど、製品の特性に応じて講じられるノイズ対策はさまざまです。

発熱・電源ラインの考慮

発熱の大きい部品周りや、大電流が流れる電源ラインに考慮したPCB設計が、基板の性能を高めます。有効な対策は次の2つです。

＜発熱・電源ラインに考慮するための対策＞

• GNDプレーンの活用
• リターン経路の確保

それぞれのポイントを解説します。

GNDプレーンの活用

GNDプレーンとは、基板上でグラウンドに搭載される銅の領域です。半導体デバイスなどは高熱を発しますが、この熱はGNDプレーンに伝わり、広い面積に拡散されます。拡散された熱は、GNDプレーンを介して基板表面に伝わり放熱され、温度上昇を抑えられます。この仕組みが、回路の安定動作につながるのです。

リターン経路の確保

リターン経路とは、配線信号に流れた電流がGNDプレーンから戻ってくる経路のことです。リターン経路が途切れたり、長くなったりすると、ノイズの発生により信号品質が低下します。これを避けるためには、電流がスムーズに流れる最短のリターン経路を確保し、電源ラインの性能を高めることが重要です。

テストポイント設計の工夫

テストポイント設計とは、電気的特性を検査する接点となるテストポイントを配置・設計することです。テストポイントを的確に設置すると、開発段階での動作確認がしやすくなるほか、製造後のデバッグ・修理が容易になります。

テストポイント設計で重要なのは、テスターのプローブを安定して当てられるように調整し、動作時の電圧や信号波形を正確に特定することです。また、測定を妨げることがないように、テストポイントを部品や配線から適度に離して設置する工夫も求められます。

まとめ

PCB設計は、電子機器の性能を決定付ける重要な工程の一つです。PCB設計を成功させるためには、設計ルールを遵守し、ノイズ・熱への対策を施すことが重要と言えます。PCB設計の質を高めることにより、製品自体の品質を向上させられることに加えて、量産化も容易になるのです。