アットマークエレ:プリント基板制作に関する技術アイデアまとめ

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部品ライブラリは縁の下の力持ち

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部品データをライブラリ化する第1の理由は再利用です。しかしそれだけではありません。部品の実装手法はもちろん、複数の工場や企業でさまざまな部品を利用するとき、管理手法に優れた部品ライブラリがなければうまく設計が進みません。

部品ライブラリ

 ICやディスクリート、コネクタなど、多くの基板で同じ部品を使用します。このため、基板を設計する都度、基板と一緒に設計するのではなく、部品をライブラリとして登録しておき、再利用できるようにします。

 部品データはシルクや部品外形、ランドなど多くの要素を含んでいます。基板に部品を呼び出したり、基板上で部品の位置を移動したりするとき、部品に属する全てのデータを一緒に移動する必要があります。このような理由からも、部品のライブラリ化が必要です。

 同様に、部品だけではなく、基板も同じ外形、同じ層構成で設計する場合が多くあります。基板をライブラリ化して再利用できるようにすることもあります。

 基板設計では、部品だけではなく多くのデータを繰り返し再利用します。例えば、会社のロゴやUL認証マークなどは同じものを多くの基板にシルクで記入します(図1)。これらのシルクもライブラリ化して繰り返し再利用できれば、効率的です。

ULマーク例 図1. ULマーク例

 この他、基板の層構成図、会社の書式に従った図面枠、製造指示の項目など、多くのデータをライブラリ化しておくと効率的ですし、記入ミスによるエラーもなくすことができます。

ライブラリ化されたデータは構造を持つ

 部品と基板、シルク、コメントでは、同じライブラリといっても、データの構造や処理が異なります。

 部品ライブラリには多くの情報が含まれています。部品ピンやパッドの情報には、ソルダーマスクの情報も含まれますし、場合によってはペーストはんだ用のマスク情報も必要です。

 ピン番号がなければ、配線の情報を使うことができせん。それでも、ピン番号がないピンやパッドがあります。大きい放熱用のパッドや部品取り付け穴などです。これらは、TH(スルーホール)でグランドプレーンに接続したり、NTH(ノンスルーホール)クリアランスでどこへも接続しない場合があります。

 部品の外形(占有領域)のデータも必要です(図2)。このデータには部品の高さの情報も含まれます(図3)。外形領域のデータを使って、CADは部品の重なりチェックや部品の高さ制限領域のチェックをします。特に注意しなければならないことは、次の2点です。部品の高さが途中で変化していたり、部品の下が開いていて、高さの低い部品ならば重ねて配置できるような場合です。

同じ部品でもパッケージが異なることがある(Texas Instrumentsの資料より) 図2. 同じ部品でもパッケージが異なることがある(Texas Instrumentsの資料より)

部品の高さ情報が必要な理由 図3. 部品の高さ情報が必要な理由

 部品ライブラリには、多くのシルクデータがあります。これらのシルクデータは、部品外形やピン番号などのように、あらかじめ決まっているデータもありますが、部品番号や、部品名などのように、部品ごと、基板ごとに変化するデータもあります。

 これらの変化するデータは、部品登録時に文字の大きさや、表示する場所だけを定義しておくと、部品配置時に接続情報を基にしてCADが自動的に適当な文字に置き換えます。

 部品データ自体はもちろん、データの扱いにも複雑な点があります。

 まず、部品をどの層に配置するのかという問題があります。部品を部品面に配置するか、はんだ面に配置するかで、部品面シルクとはんだ面シルクが切り替わります。

 さらに部品面パッドとはんだ面パッドの違いや、フロー、リフローのはんだ付け装置の違いによって、パッド形状(ランド形状)が変わる場合もあります(図4)。

 内層実装部品では、配置する層により、パッドの層が変化します。

同じ部品でもフローとリフローのはんだ方法でパッド(ランド)の形状が異なる(村田製作所の資料より) 図4. 同じ部品でもフローとリフローのはんだ方法でパッド(ランド)の形状が異なる(村田製作所の資料より)

ライブラリ管理

 多くのCADシステムでは、基板設計の時、どこにある部品ライブラリを使うのかを選ぶため、部品ライブラリに対するパスを定義できるようになっています。さらに複数の場所にあるライブラリに優先順位を付けて参照する機能もあります。

 例えば、ディレクトリAが第1優先、ディレクトリBが第2優先と設定されている場合、同じ名前の部品「BGA256」はAとB両方、「QFP64」はBだけに登録されている場合、設計には、ディレクトリAのBGA256とディレクトリBのQFP64が使われます(図5)。

ライブラリの構造例 図5. ライブラリの構造例

 このパス設定の機能を使うとライブラリ管理が簡単になり、間違いの少ない設計環境を構築できます。

 例えば、工場Aでの生産環境に合わせた部品ライブラリや設計規則をディレクトリAに登録し、工場Bでの生産環境に合わせた部品ライブラリや設計規則をディレクトリBに登録したとしましょう。両方の工場で共通に使用する部品や設計規則はディレクトリCを使うようにします(図6)。

 設計時に使うディレクトリaでは、ディレクトリAをディレクトリCよりも優先する順位を付けておきます。設計をするディレクトリbでは、ディレクトリBの順位をディレクトリCよりも高くします。

 このようにすれば、ディレクトリaで設計した基板は、自動的に工場Aでの生産に最適な設計となり、ディレクトリbで設計した基板は、自動的に工場Bでの生産に最適の設計がなされます。

製造設備に合わせたライブラリを選択 図6. 製造設備に合わせたライブラリを選択

 CADによっては基板データに対して、全てのライブラリデータの参照を更新してくれる機能を持ったものもあります。このような機能があると、工場Aで生産していた基板を工場Bの生産に切り替えるような場合に役立ちます。設計ディレクトリをaからbへ移動した後、新しいパスで部品や設計規則を更新すると、工場Bのための生産設計が簡単に行えます。

他社の基板設計を請け負う場合はライブラリ管理がさらに重要に

 基板設計専門会社(サービスビューロー)や基板製造会社の設計部門では多くの企業の基板設計を請け負います。

 各企業が使う部品は同じでも、CADライブラリは企業ごとに違います。企業がそれぞれ使っている部品手配、部品管理システムはもちろん、部品に付加されている手配コードやプロパティ、シルクのデザインや、文字の大きさなど、全てが異なります。おのおの、各企業特有の部品を使用しています。

 そのため、多くの企業の設計を請け負う場合には、企業ごとのライブラリをきちんと管理する必要があります。

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実践プリント配線板設計 本記事は、「Allegroで学ぶ実践プリント配線板設計」(発行元:株式会社ジー・ビー)から一部転載しています。