基板設計とは何？基板設計の基礎から役割まで解説！

基板設計とは、電子回路に使われるプリント基板の部品配置や配線を設計することです。プリント基板に配線パターンを描くことを「アートワーク」と呼びます。プリント基板という広いキャンバスにパターンやシルクを自由に描くことから、芸術作品の意味を持つアートワークが由来になったと考えられています。パターンを描いた後の基板は、PWB（Printed Wiring Board）と呼ばれます。

回路設計の場合、回路図設計で必要な機能を設計した後、回路図通りにプリント基板にパターンを引いて基板設計を行うのが流れです。実際に回路図と比較しても自由度が高い設計となるので、設計者の技術力によって基板サイズや製造コスト、製品の品質が大きく変わります。

基板設計が持つ役割の重要性について解説いたします。

基板自体が持つ電気的特性への配慮

回路設計を行う際は、ICやコンデンサなどの部品が持つ電気的な特性を組み合わせ、欲しい機能を作り出します。部品同士の配線については考慮しません。しかし、実際のプリント基板は銅箔パターンで部品同士をつなぎます。そのため、パターン自体の電気的特性により、パターンが抵抗やコンデンサとして働いたり、パターンがアンテナとなってノイズを拾ったり、インピーダンスの不整合で通信が劣化したりと、様々な問題が発生する可能性があります。これらの問題が発生しないよう、パターンの形状や線長、線幅、配線同士のクリアランスなどを設計することが求められます。

製造工程における不具合の防止

基板の電気的特性を考慮して設計ができても、その形状が製造しづらい場合、製造不良によって不具合が発生する可能性があります。例えば、ベタ銅箔の直近にある基板パターンが細すぎるとエッチング液が届かず、ショートの原因になりかねません。他にも、鋭角なパターンや細すぎるパターン、パターン同士やパターン対スルーホールのクリアランスが狭すぎるなど、製造上難しいパターンは数多くあります。そのため、製造不具合を防止できる基板設計が必要です。

基板サイズや製造コストの低減

基板設計は、基板サイズや製造コストを考慮することも重要です。スルーホールを不必要に多用するとその分、配線できる面積が減り基板サイズが大きくなってしまいます。また、スルーホールは小さくすると加工費が高くなり、コストがかさむことにつながります。無駄のない最適な基板設計を行うことができれば、サイズの最小化やコスト削減を実現できるようになります。

自動配線は回路図のネットリストをもとに、基板上の部品配置や配線を自動で行う機能です。もともと手作業で行っていた配線作業を肩代わりすることで、設計者の工数を大きく削減できる魅力があります。

すべての配線を代わりに行うというイメージがありますが、実際は手動での配線と組み合わせて活用するのが基本です。なぜなら、自動配線は正しく接続することはできますが、最適なパターン形状や配線ルートを自動で考えてくれるわけではありません。そのため、自動配線を使う工程としては最適な部品配置を考え、電源回路や高周波回路などの重要なパターンを手動で行ってから、比較的重要ではない配線を自動で行うのが一般的になります。また、部品配置が適切でないと自動配線は上手くいかないので、慣れないうちは試しながら、最適な部品配置を探すといった作業が必要になります。

最終的な配線以外に、仕様検討の段階で自動配線を活用する使い方もあります。大まかな回路図をもとに自動配線を行うことで、大体の配線規模を把握する方法です。必要な基板サイズや基板層数を把握できるので、途中で層数やサイズが足りず、手戻りが発生するといった問題を解消できます。

基板設計において自動配線機能は魅力的ですが、基板設計CADソフトはどのように発展し、どのような将来性があるのでしょうか。基板設計CADソフトの歴史と、基板設計が抱える今後の課題についてお伝えいたします。

基板設計CADソフトの歴史

手書き時代

かつて基板設計は手書きで行っていました。部品の配置や配線をすべて鉛筆で手書きし、変更があったら消しゴムで消すという作業を延々と繰り返し行うため、多大な手間がかかる作業だったのです。

CADの登場

手書きではとにかく修正に時間がかかるという問題を解決するべく、コンピュータの発展に伴い、1963年に登場したのが「Sketchpad」という2次元CADソフトです。プログラミングの必要がなく、ペンを動かすだけで図面を描けるため、当時は画期的なソフトウェアとして大きな衝撃を与えました。これを皮切りに、コンピュータ上で製図ができるCADソフトが発展・普及していきます。

ネットコンペアの開始

CADソフトが普及し、コンピュータ上で回路図とアートワークを製図するのが当たり前になってくると、検図も紙ではなくコンピュータ上でできないかという要望が出てきます。そこで、回路図とアートワークのネットリストを抽出・比較し、配線に間違いがないかを確認する「ネットコンペア」が開始されます。

自動配線機能の追加

回路図とアートワークが連携できるようになると、回路図の情報をもとに基板設計を自動化する自動配線機能が誕生します。当初は、自動化を主眼において自動配線機能が行われました。しかし、自動化には限界があり、主要な配線は人の手で設計する必要があることが判明します。そこで完全な自動化を求めるのではなく、設計者との対話を行い、半自動で配線しチェックするといった機能が重要視されるようになったのです。

基板設計の今後の課題

複雑化する設計への対応

電子回路は微細化・高密度化が進んでおり、プリント基板は3次元の巨大な迷路といっても過言ではない状態です。微細化や高密度化、信号通信の高速化が進むと、パターンによる様々な問題が表面化しやすくなります。設計が難しくなる反面、そのような高密度基板が当たり前に使われていくことになるでしょう。技術者に要求される技術は年々高まりますが、すべてを対応するのは限界があります。技術者をサポートする機能を持ったCADやシミュレータツールが、今後より求められることが予想されます。

技術者の扱う技術の広範囲化

基板設計を行う技術者の高齢化が進んでいます。定年を迎える技術者が増える一方、技術職の人材はどんどん減少しているのが現状です。特に、レイアウト設計を行う基板設計エンジニアは顕著に減少しており、回路設計者が同時に基板設計も行うなど、幅広いツールを使用できるようにならなければいけません。また、設計の複雑化に伴い、設計途中に解析作業を行う必要性も高まっています。専門家でなくとも、簡単にツールを利用できるインターフェースが求められています。

基板の微細化・高密度化が進むに従い、基板設計に求められる技術や開発に必要な工数は増加しています。基板設計CADソフトなどは開発者の作業をサポートし、工数を減らすうえで重要な役割を果たしています。自動配線機能は作業工数を大幅に減らせる可能性を持つ魅力的な機能ですが、使いこなすには部品配置や重要な配線を手動で行う技術力が欠かせません。このように、設計する基板ごとに必要な機能も変わるため、ニーズに適したソフトなどを導入することがポイントです。