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付録C PCBレイアウト入門
図C-1: アイデアから、（誰かが代わりに製造して）完成した製品として届くまでの、基板設計の全工程。
設計ルールチェッカー(DRC)は回路図のエラーを検出するのに役立つが、実行されるチェックはたいてい基本的なもので、最も明らかなミスしか見つけられない。一般的なチェック項目には、部品指定番号の重複、未接続のネット、フローティング入力などがある。
従来のDRCに加えて、独自の簡単なチェックを設けることもできる。たとえば、多くの設計ツールは「部品同士の接続関係（ネットリスト）の接続数チェック」を行わないが、これはPerlスクリプトやスプレッドシートを使えば比較的簡単に実装できる。このヒューリスティックなチェックは、各ネットリストに接続されているコンポーネント数を集計し、接続数でソートするものだ。ソートされたリストの先頭に来るのが「ピン数1のネット」だ。ピン数1のネットは、ほぼ例外なく回路図入力時のタイプミス（ネット名のスペルミス）を示している。ソートされたリスト全体をざっと見渡して、各信号グループが同じ数の接続を持っているか確認するのも有効だ。ほとんどの信号バスでは、バス内のすべての信号が同じ数の接続を持つ。このようなネット接続数チェックツールは半日で作れるが、それによって見つかるバグのおかげで、数え切れないほどの時間とお金を節約できるだろう。
回路図をPCBレイアウトツールにエクスポートする前に、回路図の部品表（BOM）に記載されているすべての部品を発注しておくべきだ。重要な部品が品薄になっていることがあり、その場合は不足を補うために回路図を再設計しなければならない。多くの場合、必要な再設計は部品のフットプリント指定を変更するだけで済む。メーカーの在庫不足を考慮してあらかじめ回路図を修正しておくことで、完成したPCBレイアウトの段階で変更を加えるという困難な作業を回避できる。
PCBレイアウト
PCBレイアウトプログラムへの入力は、部品のフットプリント情報が付与された部品同士の接続関係（ネットリスト）だ。ネットリストは、すべての部品とピン、およびその接続関係を中間的に表現したものだ。ネットリストの抽出は自動化されているが、回路図シンボルとPCBフットプリントの対応関係は必ずしもうまく管理されているとは限らない。
シンボルとフットプリントの対応が難しいのは、一つの部品に対して複数のパッケージが存在するためだ。たとえば、トランジスタのシンボルは、小型のSOT-23パッケージのデバイスも、大型のTO-3パッケージのデバイスも同じように表すことができる。ネットリスト抽出時に適切なパッケージが選択されているかどうかを確認するのはあなた自身の責任だ。すべてを一度に確認するよりも、部品を回路図に配置した時点でフットプリントを確認する習慣を持とう。ネットリスト変換時や、さらに悪いことには配置・最終設計レビュー時にまとめてチェックするのは避けたい。
ネットリストが完成したら、PCBレイアウトを開始する準備ができている。
PCBレイアウトプログラムへのもう一つの外部入力は、設計ルールだ。設計ルールは基板製造会社によって設定されており、最小配線幅、配線間の最小スペース、最小穴径、スルーホールの最小アニュラーリング、電源レイヤーおよびルーティングレイヤーの枚数などの仕様が含まれる。具体的な設計ルールは選択するプロセスによって異なり、さらに予算によっても左右される。最高水準のプロセスでは2ミル（1ミルは1000分の1インチ、すなわち25.4マイクロメートル）という細さの配線や、レーザードリルによるブラインドビア・埋め込みビアも利用できるが、製造費用は一般的なホビイストの予算（100ドル未満）をはるかに超える。ホビイストが利用しやすいプロセスは、6ミルの配線/スペース設計ルール、最小仕上がり穴径15ミル、銅箔2層または4層が一般的だ（基板製造会社のリストはこの付録の後半に掲載する）。
PCBレイアウトは、配置（プレースメント）と配線（ルーティング）の2段階で構成される。部品の配置を適切に行うことで、ルーティング作業が大幅に楽になる。一般的な目標は、ノイズ・遅延・信号損失を最小化するために、すべての部品をできるだけ接続が短くなるよう、ビアの数を最小限に抑えながら配置することだ。コネクタ、スイッチ、電源部品などは配置場所がほぼ決まっており、選択の余地が少ない。残りの部品については、設計の理解が最適な配置の判断に役立つ。
配置が完了したら、1対1のスケールで設計を印刷し、実際の部品をその上に当ててみることで、部品がそれぞれのフットプリントに収まるかどうかを確認しよう。ソケットと組み合わせて使う予定の部品がある場合は、部品単体ではなくソケットを使って1対1の確認を行うこと。ソケットは部品本体よりも多くのスペースを必要とするからだ。このチェックにより、すべての部品が正しいパッケージタイプかどうか、部品の輪郭がすべて正確かどうか、組み立てが容易になる十分なクリアランスが各部品間にあるかどうかを保証できる。1対1プロットで確認するもう一つの重要な点は、すべてのコネクタの向きとピン配列だ。コネクタを逆にしてしまったり、コネクタのオス・メスが逆のフットプリントを使ってしまうことは非常によくある。また、特にファインピッチの表面実装（SMD）リードを持つチップを扱う際には注意が必要だ。リードを曲げないように気をつけ、ESD（Electro-Static Discharge、静電気放電）対策の手順を必ず守ること。
一般的な配置・配線のガイドライン
以下は、配置と配線に関するガイドラインの簡単なリストだ。これらはあくまでも一般的な提案であり、当然ながら適用できない状況もあるだろう。
表面実装デバイスのビアファンアウト領域を確保する
表面実装デバイスは、かつてデファクトスタンダードだったスルーホール部品と比べて、高密度実装が可能という大きな利点を持つ。しかし、表面実装部品も、特に複雑な設計やオートルーティングを使った設計では、配線のためにスルーホールビアが必要だ。このようなルーティングビアは、SMDランドの「ファンアウト」ビアと呼ばれる。図C-2と図C-3は、表面実装部品のファンアウトビアの使用例を示している。
図C-3: SMD部品のフットプリント周囲のファンアウト領域。
デカップリングコンデンサをSMDランドの下に配置する
一般的なデジタル設計において最も多く使われる受動部品は、デカップリングコンデンサ（通称：パスコン）だ。これらの小さなコンデンサは至る所に存在し、適切に配置されなければ配線とビアファンアウトのスペースを消費してしまう。両面実装基板を使う場合、デカップリングコンデンサをターゲット部品のランドの反対側の面に配置することができる。部品のランドスペースの下にこれらの部品を置けば、ビアファンアウト領域を消費しない。
図C-2: 回路基板レイアウトの4つのビュー。左上から時計回りに：部品を実装した完成基板；PCBレイアウトプログラムのトップレイヤービュー；PCBレイアウトプログラムの全レイヤービュー；両面SMTレイアウトを示すトップ・ボトムレイヤーのみのビュー。
うまく配置されたデカップリングコンデンサは、部品の電源ピンが使う電源ビアを共用できる。図C-2の左下のビューがこの技術をわかりやすく示している（この方法が適切でない特殊なケースもあるので、次のセクションで説明する）。
特殊な配線を把握する
デジタル回路基板のレイアウトの良いところは、アナログ基板と違って、ほとんどの配線があまり深く考えなくても処理できることだ。悪いところは、残りの配線を正しく処理しないと、デバッグが困難な奇妙で厄介な挙動が現れることだ。こうした特殊な配線のルーティングは、ある種の職人芸と言える。このセクションではいくつかのガイドラインを示すにとどめるが、興味のある読者は、これらのテクニックを深く学ぶためにボードレイアウト専門の書籍を探すことをお勧めする。僕が推薦する2冊は、William J. DallyとJohn W. Poultonによる Digital Systems Engineering（Cambridge University Press）と、Howard W. JohnsonとMartin Grahamによる High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic（Prentice-Hall PTR）だ。
回路基板の配線で特別な注意が必要な配線の種類は、一般的に以下のとおりだ：
- 電源配線
- タイミング基準（クロック）配線
- 高速信号配線
- アナログ/混合信号配線
一般的なルールとして、電源配線は平均的な信号配線よりも太くする必要がある。これは特に、細い配線幅（約5ミル）を提供するハイエンドの製造プロセスを使用する場合に重要だ。電源配線は、抵抗成分による発熱と寄生成分のインダクタンスの両方を低減するために太くしなければならない。細い電源配線、特に重要な電源分配点付近の配線は抵抗のように機能して発熱し、供給電圧を低下させ、回路に不定動作を引き起こすことがある。
電源配線の適切なサイズは銅箔の厚さによって異なる。一般的な基板には「1オンス銅」（厚さ1.35ミル——1平方フィートの1.35ミル厚の銅箔が重さ1オンスに相当）が使われる。1オンス銅の外層における12ミル幅の配線は、10度の温度上昇を伴って1アンペアの電流を通過させることができる。同等の電流容量を持たせるためには、埋め込みレイヤーではさらに太い配線が必要だ。
レイヤー間で電源配線を配線する際には、ビアにも抵抗があることを忘れずに。重要な電源配線をレイヤー間で接続するのに、1本のビアだけでは不十分だ。寄生成分の抵抗とインダクタンスを抑えるために、重要な電源配線はレイヤー間を複数のビアで接続すべきだ。また、複数レイヤーにまたがる分散型電源プレーンには、共通の電位を維持するためにビアを広く分散させる必要がある。
NOTE
高性能・低ノイズアプリケーションでは、デカップリングコンデンサと電源ピンの間にビアを置くことが、配線作業の利便性に対して電源インテグリティのコストとして高すぎる場合がある。ビアは高速（数百 MHz）の信号の伝搬を乱す。したがって、このようなアプリケーションにおけるデカップリングコンデンサの最適な配置は、部品のピンと電源ビアの間だ。
タイミング基準信号にはクロックとストローブが含まれる。多くのメモリデバイスは、デリケートなタイミング要件を持つ非同期制御ストローブを必要とする。これらの信号は適切にターミネートし、ターミネーション戦略（通常は「デイジーチェーン」ルート）に合わせた方法で配線すべきだ。デイジーチェーンルートには分岐がないため、信号の波面が伝わるパスは一本だけだ。
電気信号は回路基板上で光速の約4分の1、つまりおよそ1ナノ秒で3インチ進む。したがって、高速信号の配線パターンは長さを揃えなければならない。そうしないと、信号がタイミング基準に対して大幅に位相がずれて到着する可能性がある。配線長は、短い配線を最も長い配線の長さに合わせて延長することで揃える。配線長の延長には、蛇行させた配線パターン（サーペンタイン配線・ミアンダ配線）を使い、両端点の位置を変えずに有効な長さを増やす。
アナログおよび混合信号のルーティングは、この付録の範囲をはるかに超えている。一般的なホビイストのデジタル設計では、アナログ回路のほとんどは電源部分に限定されるだろう。特定の電源部品に必要な特殊なレイアウト要件は、通常、その部品のデータシートに詳しく記載されている。
電気信号は怠け者で節操がないということを覚えておこう。信号電流は常に最小抵抗のパスを通り、隣接する配線に結合する。さらに、電流は保存されるので、すべての信号電流パスには、明示的かどうかに関わらず、リターン電流パスが存在する。回路基板のアナログ部分をレイアウトする際には、このシンプルなルールを念頭に置いてほしい。
回路基板はヒートシンクにもなる
電源レギュレータや高性能マイクロプロセッサなどの高電力部品をルーティングする際には、回路基板の銅が優れた熱伝導体であることを思い出してほしい。ターゲット部品のヒートスラグやグランドピンに接続された大きな銅の領域をレイアウトするだけで、状況によってはヒートシンクが不要になる。電源プレーンを持つ多層基板を使用している場合は、複数のビアを使って内部レイヤーへ熱を逃がすとよい。
回路基板のヒートシンク特性は、手作業での組み立て時には厄介にもなる。銅の高い熱伝導性により、大きな銅の領域にも接続されている部品のピンを加熱するのが難しくなるからだ。低電力部品を電源プレーンに接続する際は、サーマルリリーフ付きのビアの使用を検討しよう。サーマルリリーフとは、ビアと電源プレーンの接続部分に設ける小さなギャップのセットで、接続の電気的性能に大きな影響を与えずに熱伝導を低減する。なお、密集したサーマルリリーフ付き電源ビアの大きなグループが銅の領域周辺にあると、接続されていない、または接続が不十分な銅のアイランドが生じる場合があることに注意しよう。
各レイヤーの優先ルーティング方向を決める
各レイヤーに主要なルーティング方向を確立することで、密度の高い基板のルーティングが楽になる。たとえば、トップ（表面）レイヤーを水平ルーティングレイヤー、ボトム（裏面）レイヤーを垂直ルーティングレイヤーにする。ボード上で対角に位置する2つの部品間に信号をルーティングする場合は、まずトップで水平に走らせ、次にボトムで垂直に走らせて2つの部品を接続する。代替策として、たとえばトップレイヤーを対角に走る配線を一本通しただけで、ボード両半分のルーティング可能性が半減してしまう。一方の半分からもう一方へのルートがボトムだけになるからだ。このルールの例外は許容される。特に信号インテグリティとルーティング可能性のトレードオフが必要な場合はそうだ。
直交レイヤーで基板をスタックする
各レイヤーの優先ルーティング方向を確立したら、隣接するどの2層も優先ルーティング方向が平行にならないようにレイヤーをスタックする。この直交性により、レイヤー間の信号干渉を最小限に抑えられる。電源レイヤーがある場合は、信号レイヤー間の干渉を遮蔽するために、信号レイヤーの間に電源レイヤーを挟むよう心がけよう。
2層基板ではフィンガーを使って電源をバス配線する
2層基板では、基板の外周に電源とグランドをリングとして走らせたくなることがある。しかしこれは理想的ではない。リングは基板の中心部を電源から遠ざけ、回路性能を劣化させる大きな寄生電流ループの可能性も高める。代わりに、インターデジタル型（くし形）や積層型の電源フィンガーを使おう。これらのフィンガーは各レイヤーの主要なルーティング方向を確立するものであり、信号をルーティングする前にレイアウトしておくべきだ。
オートルーターの使い方のヒント
オートルーターは良し悪しある存在だ。数時間のルーティング作業を節約できる一方で、数時間にわたる厄介な問題を引き起こすこともある。オートルーターを使う際の第一のルールは、回路基板設計ファイルの唯一のコピーに対して使わないことだ。代わりに、設計のコピーを作成して、そのコピーにオートルーターの魔法をかけよう。
第二のルールは、最終設計に適用する前に、シンプルなテスト設計でオートルーターのバグを把握しておくことだ。オートルーターには、ツールを使い始める前に理解しておかなければならない重大なバグや制限が存在することが多い。オートルーターのバグを確認する際は、ロックされた配線、流し込みポリゴン、変則的な配線サイズの処理方法に特に注意を払おう。オートルーターの中には、ロックされた配線（手動で引いて移動不可に設定した配線）を実際に削除するものもあれば、それらを無視したり、それらが存在すると動作しないものもある。オートルーターを起動する前に重要な電源配線とタイミングネットのレイアウトに数時間かけた後でそれが判明すると、特に悩ましい。
最後に、複雑な基板をオートルーターが完全にルーティングしてくれることを期待しないこと。オートルーターは基板の最初の90%を素早くルーティングするのに優れているが、基板が混雑するにつれて急激に遅くなる。部品の配置の微妙な変化がオートルーターの成否を左右することも覚えておこう。多くのオートルーターは、特別なアノテーションや理想的な部品配置がなければ、バスやストレートスルー接続を認識しない。
CADツール
基板設計ツールの価格は、ここ数年で大幅に下がった。僕が基板設計に最もよく使うツールはProtel 99SEだ（新しいバージョンのProtel DXPはまだ購入していない）。Protelは高度に統合されたツールで、回路図入力、シミュレーション、ライブラリ管理、DRCとオートルーティングを備えたPCBレイアウトがすべて一つのツールに統合されている（ソフトウェアのリリースごとに新機能が設計環境に統合されているようで、良い面もそうでない面もある）。
Protelのソフトウェアの30日間完全機能デモは、ウェブサイト www.protel.com からダウンロードできる。フルライセンスは数千ドルだが、同等の機能と深さを提供する他のソフトウェアパッケージと比べれば、まだ競争力がある。その他のハイエンドPCB CADベンダーには、Mentor（PADS）、Cadence（OrCAD）、Altium（P-CAD）などがある。興味深いことに、AltiumはProtelのソフトウェアスイートも所有している。
始めたばかりで気軽にPCBレイアウトをやってみたいなら、基板製造会社の中には自社の製造サービスを使うクライアント向けに、フル機能の設計ツールを無料で提供しているところもある。ExpressPCB（www.expresspcb.com）は、自社の製造サービスを使うクライアントに無料の回路図入力とPCBレイアウトツールを提供している。ツールは機能的だが、設計ルールチェックの面では多少制限があり、現実的に使える設計の複雑さにも限界がある。しかし、ExpressPCBは初心者向けの優れた入門ツールであり、週末のハードウェアプロジェクトのほぼすべてに対応できる。
完成した設計を製造に出す前に、エクスポートしたファイルをサードパーティのファイルビューアでプレビューして、設計ツールのバグから製造への投資を守ろう。基板製造に最もよく使われるファイル形式は「Gerber」フォーマットだ。僕が信頼している優れた無料Gerberプレビューアは、Graphicode（http://www.graphicode.com/）が作成している。
基板製造会社
基板製造会社は、CADツールと同様に幅広い能力を持っている。大量生産注文のみを受け付ける会社もあれば、クイックターンのプロトタイプとホビイスト市場を主なビジネスとする会社もある。以下は、僕のお気に入りの基板製造会社とその基本サービスの概要だ。
Sierra Proto Express
カリフォルニア州サンノゼに位置するSierra Proto Expressは、最も競争力のあるクイックターンプロトタイプ料金を提供する会社の一つだ。本書執筆時点では、「ノータッチ製品」プロセスを展開している。これらの製造プロセスには厳格な設計ルール要件があるが、非常にリーズナブルだ。たとえば、2層回路基板を4日で1枚34ドル（最低2枚注文）、または4層回路基板を4日で1枚51ドル（最低2枚注文）で製造できる。これらの価格で提供される技術は、6ミルの配線/スペース設計ルール、最小仕上がり穴径15ミルだ。さらに速いターンタイムのプロセスも提供しており、そちらは配線幅5ミル、仕上がり穴径10ミルに対応している。詳細は www.sierraprotoexpress.com を参照。
Data Circuit Systems
同じくカリフォルニア州サンノゼに位置するData Circuit Systemsは、厳格な設計ルールや、安価なクイックターン会社には合わない特殊な処理オプションが必要な設計における、僕の定番ベンダーだ。ウェブサイトからダウンロードできる「プロセス能力調査」は包括的かつ明確に書かれており、設計ルールの解釈に伴う推測作業を大幅に省いてくれる。また、提出された設計に対してかなり厳格な工場検査を行い、後に問題を引き起こす可能性のある微妙なレイアウトエラーを検出することも多い。スタッフは有能で親切だ。価格はほとんどのエンジニアリングプロトタイプメーカーより若干高いが、よく文書化されたプロセスと設計ルールチェックにより、厳格な設計ルールを必要とする設計のリスクを軽減できる。長い目で見れば追加コストも十分に価値があるだろう。www.datacircuits.com を参照。
Advanced Circuits
コロラド州オーロラのAdvanced Circuits（www.4pcb.com）は、ウェブサイトにインスタント見積もり機能を備えている。この機能だけでも、割引クイックターンプロセスのガイドラインに合わない中程度の複雑さの基板には最適な選択肢になる。インスタント見積もり機能を使えば、価格に合わせた実装技術の選択を最適化できる。さらに、割引クイックターンスペシャルも頻繁に提供している。
Alberta Printed Circuits
カナダ・アルバータ州に位置するAlberta Printed Circuits（AP Circuits）は、迅速なサービスで知られる老舗のクイックターンプロトタイプPCB会社の一つだ。彼らが提供するP1プロセスは基本的なもので、はんだレジスト（soldermask）もシルクスクリーンもない。そのため、組み立て段階でハンダがあちこちに付いてしまい、ファインピッチの表面実装設計の実行が難しい。しかし、P1プロセスで基板を1日で製造・発送してくれる上に、最低注文数量もない。本書執筆時点での基本料金は約45ドルで、これに加えて1平方インチあたり約0.65ドルが加算される。技術仕様は最小ドリルサイズ20ミル（最安オプションなら28ミル）の8ミル配線/スペースだ。AP Circuitsは、急ぎで厳格な予算の中で仕上げなければならない基板、特にはんだレジストなしでも組み立てやすいスルーホールや粗いSMT部品を使う基板に最適だ。www.apcircuits.com を参照。
スターターポイント：ATX電源交換アダプタ基板
第5章「壊れた電源の交換」では、XboxのATX電源を標準のATX電源と交換する方法を説明した。一つの問題は、XboxとATX電源の電源オン信号の極性が逆であることだ。その章で提案したハック的な解決策は、電源を常時オンのままにして、まず電源を入れてからXboxの電源ボタンを押すという方法でXboxのオン・オフを切り替えることだった。
電源信号の極性を反転させ、Xboxのフロントパネルだけでスタンバイ電源の状態を制御できるようにする基板を設計・レイアウトすることは、かなり簡単だ。2本のダイオードを使う代わりに、スタンバイ電源を適切にレギュレートすることもできる。そのような基板は、74HCT04などのインバータチップと、LM317Kなどのレギュレータで構成される。LM317Kは調整可能なレギュレータで、ATX電源が提供する+5Vスタンバイ電圧をXboxが要求する+3.3Vスタンバイ電圧まで下げるよう設定できる。この基板の回路図例を図C-4に示す。
この基板へのコネクタの選択はあなた次第だ。最も簡単な方法は、穴を開けてそのままリード線をはんだ付けすることだろう。接続は5本しかない。3本は電源に接続する：+5VSB（紫）線、グランド（黒）線、電源オン出力（緑）線だ。残りの2本、+3.3VSB（電源コネクタのピン6）と電源オン入力（電源コネクタのピン11）は、Xboxに接続する。
完成した基板を取り付ける前に、レギュレータの電圧出力を必ずテストすること。抵抗値を間違えたりピンを取り違えたりすることは十分あり得る。その場合、Xboxに危険なほど高い電圧が流れ込む可能性がある。また、基板を固定設置する際には、XboxのケースやXboxの他の部品との偶発的な接触を防ぐため、基板の上下面を必ず絶縁すること。
図C-4: ATX電源交換アダプタ基板の回路図例。抵抗R1とR2は電圧レギュレータU1の出力電圧を+3.3Vに設定する。
*著者*: Andrew "bunnie" Huang | *出版*: No Starch Press
*日本語訳・レビュー*: ニコ技深圳コミュニティ / 高須正和（@tks） — [https://takasumasakazu.net](https://takasumasakazu.net) — CC BY-NC-SA 1.0
*注記*: 本翻訳は、原著の Creative Commons ライセンス条件に従って公開する翻訳コントリビューションであり、著者 bunnie からも歓迎のコメントをいただいています。出版社による公式日本語版ではありません。