設計図から実際の量産まで、回路基板は、プロセス性、製造可能性、信号完全性、EMCなど、数多くのハードルを乗り越えなければなりません。この記事では、PCB設計における13の一般的でありながら重要なコアコンセプトを中心に、設計ロジックを体系的に概説し、PCBエンジニアリング思考と設計能力を向上させます。
1. FR4基板材料：信号世界の要
FR-4は、最も一般的に使用されるPCB基板で、ガラス繊維とエポキシ樹脂で作られた銅張積層板です。その耐熱性はTg（ガラス転移温度）で測定されます。
高Tg基板は、高い耐熱性だけでなく、耐湿性や耐薬品性も大幅に向上しており、多層基板の長期的な動作中の寸法安定性を確保します。
2. インピーダンスマッチング：高速信号ルーティングの「守護者」
高速デジタル回路（DDR、USB、PCIeなど）では、正確なインピーダンスマッチングがないと、反射やクロストークなどの問題が発生します。一般的なインピーダンス制御方法には以下があります。
どのようにマッチングを設計するか？層構成、トレース幅と間隔、基準面、誘電率などの要素を考慮した正確なシミュレーションが必要です。
3. 表面処理プロセス：はんだ付け品質と寿命を決定する
5つの一般的な表面処理:
| プロセス | 利点 | 欠点 | 適用シナリオ |
|---|---|---|---|
| プル錫 | 低コスト;成熟した安定したプロセス | 表面が不均一;高速酸化率 | 量産される家電製品 |
| 浸漬錫 | 優れた表面平坦性 | 酸化と黒化の影響を受けやすい | 通信機器製品 |
| 浸漬金 | 優れたはんだ付け性;優れた電気的接触性能 | 高い製造コスト | 高周波回路基板; BGA（ボールグリッドアレイ）パッケージ基板 |
| 金メッキ | 高い表面硬度;強い耐摩耗性 | はんだ付け性が悪い | PCBの金指;ボタン接触部品 |
| OSP（有機はんだ付け性保護剤） | 超低コスト;簡単な操作 | 酸化しやすい;長期的な信頼性が低い | 回路基板のラピッドプロトタイピング;短サイクル試作 |
高周波インピーダンス制御には、浸漬金または浸漬錫を強く推奨します。プル錫は、BGAパッケージ基板では使用できません。
4. コア基板/プリプレグ：基板の厚さ、層構成、電気的性能を決定する主要材料
コア基板（Core）+ PP（プリプレグ）は、多層基板の構造と安定性を決定します。その厚さ、樹脂フロー率、電気定数はすべて、層構成シミュレーションと組み合わせて考慮する必要があります。
ラミネーション中の基板の反り、ボイド、銅剥離などのプロセス問題を回避するには、適切な割合が不可欠です。
5. 差動ライン：信号完全性のために対称ルーティングが不可欠
差動信号は、LVDS、USB、PCIeなどの高速データ伝送に使用され、次の要件を満たす必要があります。
差動トレースの非対称性は、クロックスキューとクロストークに直接影響し、レイアウト段階で総合的に考慮する必要があります。
6. 信号完全性（SI）：高速PCB設計の魂
信号完全性に影響を与える5つの主要な要因:
SIの問題は、多くの場合、システム障害、頻繁なリセット、データエラーにつながります。
7. 信号反射：信号が「同じパスを戻る」のを防ぐ
信号反射は、以下を引き起こす可能性があります。
反射を制御するには、インピーダンスマッチングに加えて、適切な終端マッチング（ソースとロードエンド）が必要であり、基準面のブレークを避ける必要があります。
8. クロストーク：信号線間の「ノイズ汚染」
グランドリファレンスのない高密度高速ラインは、深刻なクロストークを生成し、特にDDRまたは高速バスの並列ルーティングで顕著になります。
容量性結合→電流クロストーク
インダクティブ結合→電圧クロストーク
解決策：グランドプレーンガードを追加し、トレース間の適切な間隔を維持し、トレース方向を制御します。
9. 内部電源層：安定した電源と干渉抑制のための秘密兵器
電源とグランドは、浮島や電源ループの破損を避けるために、合理的なパーティションと高密度ビア配置を備えた大面積プレーンとして設計する必要があります。
10. ブラインド/ベリードビア：高密度PCB設計の重要な技術
ブラインド/ベリードビアは、HDI基板で広く使用されており、スペース利用率を大幅に向上させますが、高いコストと処理要件が課せられます。
11. テストポイント：量産デバッグ用の「ヒューズ」
機能テスト、インサーキットプログラミング、デバッグ位置決めに使用されます。BGAチップ領域は、フライングプローブまたは境界スキャンを使用して対処する必要があります。
12. マークポイント：SMT配置精度の確保
SMT配置位置決めに使用されます。マークポイント設計の推奨事項:
13. PTH/NPTHホール：接続と固定用のキャリア
加工中に、エンジニアリングファイルにホールの属性を正確にマークして、手直しを避ける必要があります。
結論：主要な詳細をマスターすることが高品質のPCB設計につながる
PCB設計は単なる「描画」ではなく、電気的性能、プロセス実現可能性、製造コスト、将来のメンテナンスを考慮した複雑なシステムエンジニアリングプロジェクトです。各用語の背後にある設計ロジックとエンジニアリング的な意味を理解することが、プロのPCBエンジニアになるための出発点です。
設計図から実際の量産まで、回路基板は、プロセス性、製造可能性、信号完全性、EMCなど、数多くのハードルを乗り越えなければなりません。この記事では、PCB設計における13の一般的でありながら重要なコアコンセプトを中心に、設計ロジックを体系的に概説し、PCBエンジニアリング思考と設計能力を向上させます。
1. FR4基板材料：信号世界の要
FR-4は、最も一般的に使用されるPCB基板で、ガラス繊維とエポキシ樹脂で作られた銅張積層板です。その耐熱性はTg（ガラス転移温度）で測定されます。
高Tg基板は、高い耐熱性だけでなく、耐湿性や耐薬品性も大幅に向上しており、多層基板の長期的な動作中の寸法安定性を確保します。
2. インピーダンスマッチング：高速信号ルーティングの「守護者」
高速デジタル回路（DDR、USB、PCIeなど）では、正確なインピーダンスマッチングがないと、反射やクロストークなどの問題が発生します。一般的なインピーダンス制御方法には以下があります。
どのようにマッチングを設計するか？層構成、トレース幅と間隔、基準面、誘電率などの要素を考慮した正確なシミュレーションが必要です。
3. 表面処理プロセス：はんだ付け品質と寿命を決定する
5つの一般的な表面処理:
| プロセス | 利点 | 欠点 | 適用シナリオ |
|---|---|---|---|
| プル錫 | 低コスト;成熟した安定したプロセス | 表面が不均一;高速酸化率 | 量産される家電製品 |
| 浸漬錫 | 優れた表面平坦性 | 酸化と黒化の影響を受けやすい | 通信機器製品 |
| 浸漬金 | 優れたはんだ付け性;優れた電気的接触性能 | 高い製造コスト | 高周波回路基板; BGA（ボールグリッドアレイ）パッケージ基板 |
| 金メッキ | 高い表面硬度;強い耐摩耗性 | はんだ付け性が悪い | PCBの金指;ボタン接触部品 |
| OSP（有機はんだ付け性保護剤） | 超低コスト;簡単な操作 | 酸化しやすい;長期的な信頼性が低い | 回路基板のラピッドプロトタイピング;短サイクル試作 |
高周波インピーダンス制御には、浸漬金または浸漬錫を強く推奨します。プル錫は、BGAパッケージ基板では使用できません。
4. コア基板/プリプレグ：基板の厚さ、層構成、電気的性能を決定する主要材料
コア基板（Core）+ PP（プリプレグ）は、多層基板の構造と安定性を決定します。その厚さ、樹脂フロー率、電気定数はすべて、層構成シミュレーションと組み合わせて考慮する必要があります。
ラミネーション中の基板の反り、ボイド、銅剥離などのプロセス問題を回避するには、適切な割合が不可欠です。
5. 差動ライン：信号完全性のために対称ルーティングが不可欠
差動信号は、LVDS、USB、PCIeなどの高速データ伝送に使用され、次の要件を満たす必要があります。
差動トレースの非対称性は、クロックスキューとクロストークに直接影響し、レイアウト段階で総合的に考慮する必要があります。
6. 信号完全性（SI）：高速PCB設計の魂
信号完全性に影響を与える5つの主要な要因:
SIの問題は、多くの場合、システム障害、頻繁なリセット、データエラーにつながります。
7. 信号反射：信号が「同じパスを戻る」のを防ぐ
信号反射は、以下を引き起こす可能性があります。
反射を制御するには、インピーダンスマッチングに加えて、適切な終端マッチング（ソースとロードエンド）が必要であり、基準面のブレークを避ける必要があります。
8. クロストーク：信号線間の「ノイズ汚染」
グランドリファレンスのない高密度高速ラインは、深刻なクロストークを生成し、特にDDRまたは高速バスの並列ルーティングで顕著になります。
容量性結合→電流クロストーク
インダクティブ結合→電圧クロストーク
解決策：グランドプレーンガードを追加し、トレース間の適切な間隔を維持し、トレース方向を制御します。
9. 内部電源層：安定した電源と干渉抑制のための秘密兵器
電源とグランドは、浮島や電源ループの破損を避けるために、合理的なパーティションと高密度ビア配置を備えた大面積プレーンとして設計する必要があります。
10. ブラインド/ベリードビア：高密度PCB設計の重要な技術
ブラインド/ベリードビアは、HDI基板で広く使用されており、スペース利用率を大幅に向上させますが、高いコストと処理要件が課せられます。
11. テストポイント：量産デバッグ用の「ヒューズ」
機能テスト、インサーキットプログラミング、デバッグ位置決めに使用されます。BGAチップ領域は、フライングプローブまたは境界スキャンを使用して対処する必要があります。
12. マークポイント：SMT配置精度の確保
SMT配置位置決めに使用されます。マークポイント設計の推奨事項:
13. PTH/NPTHホール：接続と固定用のキャリア
加工中に、エンジニアリングファイルにホールの属性を正確にマークして、手直しを避ける必要があります。
結論：主要な詳細をマスターすることが高品質のPCB設計につながる
PCB設計は単なる「描画」ではなく、電気的性能、プロセス実現可能性、製造コスト、将来のメンテナンスを考慮した複雑なシステムエンジニアリングプロジェクトです。各用語の背後にある設計ロジックとエンジニアリング的な意味を理解することが、プロのPCBエンジニアになるための出発点です。
