基板設計とは？設計フローと注意点、試作で確認すべきポイントを解説

電子機器の性能は、回路図の完成度だけでは決まりません。

部品をどこに置き、どの経路で配線するかによって、動作の安定性やノイズ、製造コストが変わります。

そこで本記事では、基板設計の定義と回路設計との違いから、設計のフロー、注意点、試作で確認したいポイントまでを解説します。

基板設計は、回路図をもとに基板外形・層構成・部品配置・配線パターンを決め、最終的に製造用のデータを作成する工程です。

回路の構成や部品を決める回路設計とは担当範囲が分かれており、別の部門や会社が受け持つ場合もあります。

ここでは、基板設計で決める内容と回路設計との役割の違い、混同しやすい関連用語について、以下のポイントに沿って整理します。

• 基板設計の役割と決める内容（基板外形・層構成・部品配置・配線）
• 回路設計と基板設計の違い
• アートワーク設計・パターン設計と関連用語の整理

基板設計の役割と決める内容（基板外形・層構成・部品配置・配線）

基板設計では、部品配置や配線パターンの設計に加え、基板外形や層構成、材質、表面処理といった基板そのものの仕様を決めます。

配線パターンは単なる線ではなく、抵抗やインダクタンスを持つ導体として働くため、部品をどこに置き、どの経路で結ぶかが、信号の伝わり方に影響します。

また、製造工程で不具合が生じないよう、設計ルールに沿って寸法を決める作業も、基板設計が担う役割の一つです。

回路設計と基板設計の違い

回路設計と基板設計は、担当する工程も成果物も分かれています。

回路設計では、必要な機能を満たす回路構成を検討し、部品を選定して回路図と部品表をまとめます。

一方で基板設計は、その回路図をもとに部品配置や配線を設計し、製造できる基板として具体化する工程です。

両者は別の部門や会社が担当する場合も多く、回路図どおりに接続しても、配置や配線経路によっては期待どおりに動作しない場合があります。

回路設計と基板設計を別の担当者や会社が行う場合は、設計意図を共有しておくと、手戻りを減らしやすくなります。

回路設計そのものについては、以下の記事で解説していますので、併せてご覧ください。

▶ デジタル回路設計とは？設計フロー・HDL・FPGAとマイコンの使い分け・ノイズ対策まで解説
 ▶ アナログ回路設計とは？基礎からノイズ・グラウンド設計、高精度計測回路まで解説

アートワーク設計・パターン設計と関連用語の整理

基板設計の周辺には似た用語が並んでいますが、必ずしも同じ作業を指すとは限りません。

アートワーク設計やパターン設計は、部品配置や配線パターンの設計を指す語として使われることが多く、基板設計とほぼ同じ意味で用いられる場合もあります。

また、基板そのものを表す略語にも、複数の呼び方が使われています。

・PWB（Printed Wiring Board／プリント配線板）：配線のみが形成され、部品を実装していない状態の板

・PCB（Printed Circuit Board／プリント回路板）：JISでは、部品を実装して電子回路として機能する状態を指す

ただし、実務では両者が混用され、部品の有無にかかわらずPCBと呼ぶ場合もあります。

打ち合わせでは、相手がどの範囲を指しているかを確認しながら進めると、認識のずれを避けやすくなります。

基板設計は、発注側が用意した回路図や部品表を受け取るところから始まり、部品配置・配線・設計内容の確認を経て、製造用のガーバーデータを出力する流れで進みます。

工程ごとに必要な情報と確認事項が決まっているため、依頼前に全体像をつかんでおくと、準備がスムーズです。

ここでは、各工程で何が扱われるのかについて、以下のポイントに沿って順に説明します。

• 設計に必要な支給データ（回路図・部品表・基板外形図・ネットリスト）
• 部品配置と配線パターンの設計
• DRC（設計ルールチェック）・製造性の確認とガーバーデータの出力

設計に必要な支給データ（回路図・部品表・基板外形図・ネットリスト）

基板設計を依頼する際は、設計に必要な情報を発注側が用意します。

主に、次のデータが該当します。

設計指示書は必須ではありませんが、添えておくと設計者へ意図が伝わりやすくなります。

支給データが不足していると確認の往復が増え、着手までに時間がかかるため、依頼前に手元の資料を整理することにより、設計期間を短縮できます。

部品配置と配線パターンの設計

部品配置は、基板設計の中でも仕上がりを大きく左右する工程です。

配置を決めた時点で配線経路の大枠が定まるため、後から配線だけで調整するのは簡単ではありません。

電源部と信号部の配置関係、コネクタや放熱部品の位置、実装のしやすさなどを踏まえながら、位置を決めていきます。

配線パターンの設計では、配置した部品の間をパターン幅や間隔といった設計ルールに沿って結びます。

CADの自動配線機能を用いる場面もありますが、ノイズ対策や電流容量への配慮が求められる箇所は、手作業での調整が一般的です。

両者を使い分けながら配線を進め、終えたあとは接続漏れがないかどうか、回路図やネットリストと照合します。

DRC（設計ルールチェック）・製造性の確認とガーバーデータの出力

配線を終えたあとは、設計内容が製造できる状態になっているかを確認します。

DRC（Design Rule Check）とは、パターン幅や間隔、穴径などが設定した設計ルールに適合しているかどうか、CADで自動的に照合する機能です。

ルール違反が残ったまま製造へ進むと、断線やショートなどの不良につながりかねません。

併せて、基板メーカーの製造条件に合っているかも確認します。

対応できる最小パターン幅や穴径には限りがあり、これらを下回る設計では、製造を断られたり、費用が上がったりする場合もあります。

確認を終えたら、各層の配線やソルダーレジスト、シルクなどの製造データ（ガーバーデータ）を出力し、製造用のデータとして基板メーカーへ渡します。

基板設計でつまずきやすい箇所は、製造できるかどうかに関わる設計ルール、発熱や電源供給に関わる部品配置、完成後の動作に影響するノイズの3つに整理できます。

いずれも配線を引き終えてから対処しようとすると修正の範囲が広がり、基板を作り直す事態にもつながりかねません。

ここでは、設計を進めながら押さえておきたい点について、以下の順に説明します。

• 設計ルールと製造性への配慮（パターン幅・間隔）
• 部品配置・放熱・電源への配慮
• ノイズ・EMI対策は設計段階から織り込む

設計ルールと製造性への配慮（パターン幅・間隔）

設計ルールとは、基板が製造でき、想定どおりに動作する状態を保つための寸法の取り決めです。

代表的な項目は、次のとおりです。

こうしたルールの決め方については、プリント基板の設計基準としてIPC-2221があり、パターン幅や間隔などの考え方が示されています。

実際に設定できる値は、基板メーカーの製造条件によっても異なります。

設計ルールから外れていると、製造を断られるか、製造できたとしても完成後の動作不良につながりかねません。

そのため、依頼先が対応できる最小のパターン幅や間隔、穴径を確認したうえで、ルールを決める必要があります。

部品配置・放熱・電源への配慮

部品配置では、機能ごとに領域を分ける進め方が一般的です。

電源部、アナログ回路、デジタル回路をそれぞれまとめて配置すると、互いの干渉を抑えられます。

発熱の大きい部品は、周囲に熱が集中しないように間隔を確保したうえで配置し、熱に弱い部品の近くには置きません。

基板の銅箔面積を広げる方法や、サーマルビアを設ける方法も、熱を逃がす手段として使えます。

電源については、ICの近くにデカップリングコンデンサを配置し、電源とグラウンドの経路をできるだけ短く結ぶ設計が有効です。

電流の経路が長くなると、電圧の変動が生じやすく、動作が不安定になる場合もあります。

配置の段階で電源経路を検討しておけば、後工程での修正を減らせます。

ノイズ・EMI対策は設計段階から織り込む

ノイズ対策は、基板の構造を決める段階から進めておくと効果を得やすくなります。

具体的な対策として挙げられるのは、グラウンド層を設けた層構成の選定、信号の戻り経路（リターンパス）が途切れない配線、高速信号の引き回しへの配慮です。

いずれも、機器から外部へ出るノイズ（EMI）を抑えるうえでも効いてきます。

これらは配線を終えたあとでは変更が難しく、層構成を見直すとなれば、基板の作り直しを伴いかねません。

実機での評価段階でノイズの問題が判明すると、再設計と再製造に費用と時間がかかります。

設計の途中でシミュレーションを用いて確認しておけば、修正が必要な事態の発生を抑えられます。

基板設計を終えても、設計内容が想定どおりに機能するかは、実物で確認するまで分かりません。

試作は、設計どおりに製造できるか、意図した動作が得られるかを量産前に確かめる工程です。

ここで不具合が見つかった場合「原因が設計にあるのか」「実装や測定条件にあるのか」を切り分ける必要があり、依頼先の対応範囲も関わってきます。

ここでは、試作の扱い方と依頼時の準備について、以下の順に説明します。

• 試作の位置づけ（設計内容を実物で検証し、不具合を早期に検出する）
• 依頼時に準備するデータと確認事項
• 設計内容の確認から試験・動作評価まで見据えた依頼先の選び方

試作の位置づけ（設計内容を実物で検証し、不具合を早期に検出する）

試作とは、単に基板を少量作る作業ではなく、設計どおりに製造・実装でき、想定どおりに動作するかを確かめる工程です。

図面上では問題がなくても、部品を実装して動作させると、想定と異なる挙動やノイズが現れる場合があります。

試作は、動作確認を目的とする場合と、量産を見据えて実装のしやすさや製造条件までを確かめる場合に分かれます。

目的によって確認項目が変わるため、試作で何を検証するのかを事前に決めておくことが重要です。

試作の段階で見つかる不具合には、設計に起因するパッド形状の不適合、実装工程で生じる不良、調達面での部品の入手性などが挙げられます。

これらを量産や実機評価の前に把握できれば、修正にかかる費用と期間を抑えやすくなります。

依頼時に準備するデータと確認事項

依頼をスムーズに進めるには、設計に必要な資料をそろえたうえで、対応範囲を先に確かめておく方法が有効です。

準備するデータと確認したい項目は、次のとおりです。

基板設計の範囲は会社によって異なり、配線のみを担当する場合もあれば、層構成の検討から製造用データの作成まで対応する場合もあります。

どこまでを任せられるかを最初に確認しておくと、作業の抜けや二重の依頼を防げます。

設計内容の確認から試験・動作評価まで見据えた依頼先の選び方

基板設計を他社に依頼する際は、設計を終えたあとの検証まで含め、対応範囲を確かめておくことが重要です。

設計、試作、評価をそれぞれ別の会社へ分けると、不具合が生じたときに原因が設計側にあるのか、実装や測定条件にあるのかを切り分けにくく、確認の往復が増える場合もあります。

アレックス・ジャパンの開発試験受託事業では、試験の計画立案から計測機器・環境の準備、試験の実施、データ取得・解析、評価レポートの作成までを支援しています。

設計した機器が想定どおりに動作するかを確かめたい場合や、何をどう評価すべきか整理したい段階でも、お気軽にご相談ください。

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本記事では、基板設計の定義と回路設計との違いから、設計のフロー、注意点、試作で確認したいポイントまでを解説しました。

要点は以下のとおりです。

• 基板設計では、基板外形・層構成・部品配置・配線パターンを決め、製造用のデータを作成する
• 回路設計は回路図と部品表を作る工程であり、基板設計とは担当範囲が分かれる
• 設計は支給データの受け取りから始まり、部品配置、配線、DRC・製造性の確認を経て、ガーバーデータの出力へ進む
• 設計ルール、部品配置と放熱・電源、ノイズ・EMIは、配線を終えたあとでは修正の範囲が広がりやすい
• 試作は設計内容を実物で検証する工程であり、量産や実機評価の前に不具合を把握できれば、修正の費用と期間を抑えやすくなる

基板設計は、回路図を実際の基板上に成立させる工程であり、設計の段階で決めた内容が完成後の動作やノイズ、製造コストに影響します。

設計から試作、動作の確認までを見据えて進めると、後工程での修正を減らせます。

アレックス・ジャパンは、航空宇宙・防衛分野で試験の計画立案から計測、データ解析、評価までを支援している企業です。

設計した機器の動作確認や試験について検討している場合は、ぜひお気軽にご相談ください。

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