PCBレイアウトを最適化するためにIPC標準を使用する方法

　PCBを設計することは、単にボード上のコンポーネントを接続するだけではありません。IPC規格の出番です。IPC規格は、PCB設計と製造において最も広く受け入れられ、重要な規格のひとつです。電子機器設計、製造、あるいは防衛に携わる人であろうと、IPC規格は設計者のあり方に影響を与えます。IPC規格は、設計者がどのようにボードを作成し、どのように異なる業界で生産するために準備するかに影響を与えます。これらの規格は、性能と信頼性を保証するためのもので、多くの業界で受け入れられています。

　IPC規格の目標は、電子製品の信頼性、安全性、製造可能性を確保することです。どのような業種や市場セグメントであっても、IPCは製品の重要な要件を規定する規格を定義しています。このブログでは、以下について説明します：

・PCBレイアウト設計においてIPC規格に準拠することが重要な理由。

・PCBレイアウト設計に関連するIPC規格を見つける。

・PCBソフトウェアの選択がIPC規格の実装にどのように影響するかを学びます。

IPC規格とは？

　The Institute for Printed Circuits (IPC)は、PCB設計、製造、アセンブリに関する世界的に認められた規格を発行しています。これらの規格は、設計者、製造者、テスター間の共通言語として機能し、エレクトロニクス業界の一貫性、品質、信頼性を保証します。PCB設計に最も関連性の高いIPC規格をいくつかご紹介します：

・IPC-2221： IPC-2221：プリント基板一般設計規格

・IPC-2222：リジッドプリント基板の断面設計規格

・IPC-6012： IPC-6012：リジッドプリント基板の認定および性能仕様書

・IPC-A-600： プリント基板の許容性

・IPC-A-610： 電子アセンブリの許容範囲

　IPCは現在、300を超える有効な規格を有し、リソースライブラリには1,000を超える規格が登録されています。世界中の電子機器設計者が、一般的な参考設計から、よりカスタマイズされた設計図まで、これらの規格を使用しています。IPC規格は、エレクトロニクス業界全体からのボランティアで構成される委員会が起草、編集、投票を行っています。このプロセスには、世界中の3,000人以上の業界専門家が参加しています。

　委員会のメンバーは、直接会う会議、電話会議、電子メールを通じて参加できるため、世界中の人々を含めることができる。IPCは、製造上の問題に対処し、規格に準拠するために何が必要かを判断するのに役立つ規格ギャップ分析などの検証サービスプログラムを提供しています。また、製品がIPCの電気規格に準拠しているかどうかを判断するのに役立つ認定メーカーリストと認定製品を維持しています。

IPC PCBとは？

　IPCは電気・電子業界の規格を作成しているため、PCB業界のPCB規格の作成においても重要な役割を果たしています。設計や製造など、PCB製造プロセスのあらゆる段階でPCB規格を見つけることができます。

　IPC PCB標準は、ファイルフォーマット、PCB設計ソフトウェア、設計ガイド、および電子製品ドキュメントの標準を設定する際の一貫性と互換性を保証します。これらの規格は、PCBボードアセンブリ、表面実装デバイス、表面仕上げの材料選択にも影響を与えます。さらに、プリント基板の試験や合格判定にも一役買っています。

IPC規格の歴史：

　IPCは、1957年にプリント基板メーカー6社の協力により設立された団体である。この協会は、プリント基板の設計と製造の基準を設定するために設立された。その後、1977年に名称がInterconnecting and packaging electronic circuitsに変更された。この結果、IPC協会にはより多くの電子機器メーカーが加盟するようになった。1998年には、この名称に反対する意見が多かったため、名称が変更され、「エレクトロニクス産業をつなぐ協会」というキャッチフレーズとともにIPCという正式名称が採用されました。

エレクトロニクス製造におけるIPCの様々なクラス：

IPCは、PCB製造を基本機能から高信頼性環境まで3段階の受け入れ基準に分類している：

クラス1 - 一般エレクトロニクス

クラス2 - サービス専用エレクトロニクス

クラス3 - 高性能/環境エレクトロニクス

　要件は、許容可能な欠陥の限界、テスト性能、文書化の厳密さ、および各高等クラスレベルの検証にわたってスケールアップする。以下は、各クラスレベルに適合するアプリケーションの例である：

クラス1 - コンシューマー機器、基本的な産業用制御機器

クラス2 - 通信インフラ、医療機器

クラス3：航空電子機器、兵器システム、宇宙電子機器

1、2、3の間で変化する具体的な基準については、後のセクションで詳しく説明する。しかしその前に、受入試験計画を策定するための枠組みを理解しよう。

IPC規格を利用するメリット

　IPC規格のページを読み通すのは面倒ですが、しかし、特にPCBレイアウト設計には、それなりの理由があります。IPCは1957年に設立され、当時はInstitute of Printed Circuitとして知られていました。現在では、PCB設計のサプライチェーンを構成する何千もの企業が会員となっています。

1. 信頼性の向上： PCBが過熱やはんだ付け不良などの問題で故障する可能性が低くなります。

2. 製造性の向上： IPCに準拠した設計は製造と組み立てが容易で、製造コストを削減できます。

3. 規制コンプライアンス： 多くの業界で、安全性と性能に関するIPC規格の遵守が求められています。

4. コミュニケーションの強化： 設計者、製造者、顧客間の議論に明確な枠組みを提供します。

　IPCは、PCB設計、製造、アセンブリ、テスト、およびその他の分野の共通のガイドラインとなる規格を作成し、維持しています。PCB設計者にとって、PCBレイアウトに関連するIPC規格に準拠することは、製品の成否を分ける可能性があります。

PCBレイアウトを最適化する7つのIPC規格：

1. 適切なトレース幅とスペーシングの確保（IPC-2221）

　IPC-2221は、電流容量、銅の厚さ、動作温度に基づいてトレース幅とスペーシングを決定するための詳細な計算式とガイドラインを提供しています。これにより、過熱とトレース不良を防ぎます。短絡を防止するため、トレース間の十分な絶縁を確保します。

IPC-2221を使用して、大電流経路の最小トレース幅を計算する。クロストークやアーク放電を避けるため、トレース間の間隔が規格に適合していることを確認する。

2. レイヤースタックアップの最適化 (IPC-2221 および IPC-2222)

　IPC規格は、シグナルインテグリティ、電力供給、製造性のためにレイヤースタックアップを最適化した多層PCBの設計を支援します。電磁干渉（EMI）を低減し、高速設計のインピーダンス制御を改善します。

　特定のアプリケーション（高周波、電力集約型など）に推奨されるレイヤースタックアップに従ってください。シグナル・インテグリティを向上させるために、IPCガイドラインに従ってグランド・プレーンとパワー・プレーンを使用してください。

3. ビアの設計と配置 (IPC-2221)

　バイアは層間接続に不可欠であり、IPC 規格はその寸法、間隔、電流処理能力のガイドラインを規定している。これは、熱的、機械的な故障を防ぎ、高密度のレイアウトにおける信頼性の高い接続を保証します。

IPC規格を使用して、電流および熱要件に対応するビアサイズとメッキ厚を計算してください。コーナーの近くやフレキシブルゾーンのような高ストレス領域にビアを配置することは避けてください。

4. ソルダーマスクとコンポーネントパッドの設計 (IPC-7351)

　IPC-7351は、さまざまなコンポーネントパッケージのパッドサイズとソルダーマスクのクリアランスを定義しています。ブリッジなどのはんだ付け不良を低減し、アセンブリの歩留まりと信頼性を向上させます。

　IPC-7351フットプリントに基づき、部品のパッドを設計してください。ピン間のショートを避けるため、十分なソルダーマスククリアランスを確保してください。

5. シグナルインテグリティとインピーダンスコントロール (IPC-2141)

　高速およびRF設計のために、IPC-2141は適切なトレース設計とインピーダンス整合を通してシグナルインテグリティを制御するためのガイドラインを提供します。これにより、信号の反射や損失を最小限に抑え、高速信号の信頼性の高い性能を保証します。

　IPC-2141に従って計算された寸法で、制御されたインピーダンス・トレースを使用する。スキューを最小にするために、差動ペアを等しい長さと適切な間隔で配線する。

6. 熱管理 (IPC-2152)

　IPC-2152は熱放散を管理する体系的なアプローチを提供します。IPC-2152は、熱放散を管理する体系的なアプローチを提供します。大電力アプリケーションの信頼性を確保します。

　IPC-2152に従って大電流用のトレース幅を計算する。推奨されるように、サーマルビア、銅注入、ヒートシンクを使用してください。

7. アセンブリと製造性 (IPC-A-610 および IPC-6012)

　これらの規格は、PCBが機能的であるだけでなく、製造と組み立てが容易であることを保証します。全体として、製造コストを削減し、高品質の完成品を保証します。

　IPCガイドラインを使用して、製造可能なレイアウトを検証してください。狭いクリアランス、非標準のビアサイズ、アクセスしにくいテストポイントを避けてください。JLCPCB工場でどのように組立が行われているかをご覧ください。

　IPC PCB標準はまた、PCBの電気および電子作業のはんだ付けの要件を設定します。これらのはんだ付け規格は、はんだスプライスと同様に、多くの場合、リフローおよびウェーブはんだ付けに関連しています。企業はまた、電気および電子アセンブリが製造中に受け入れられるかどうかを確認するために、これらに依存しています。IPC規格は、ケーブルおよびワイヤーハーネスアセンブリーも対象としています。最後に、IPC規格は、PCBが最終製品としてリリースされる前の電子筐体の製造、検査、試験に関する許容基準を定めています。

PCB設計と製造に関連するIPCセクションとは？

　IPC規格には多くのセクションがあり、すべてのセクションがすべての回路基板設計に適用されるわけではありません。さらに、各規格は非常に長い文書で、設計者、製造者、またはその両方に対するさまざまな要件を含んでいます。重要なIPC設計規格には以下のものがある：

・IPC 2221： PCB の一般的な設計と性能要件。

・IPC 4101：PCBラミネートの材料仕様

・IPC 2152：PCBラミネートの材料仕様 銅トレースの通電ガイドライン

・IPC 4761：ビア保護に関する設計規則 ビア保護の設計規則

・IPC 6012/6013： リジッドPCBとフレックスPCBの性能基準

・IPC-A-600： PCB受け入れ基準と分類

・IPC 7351：SMTフットプリントとランドパターン要件

・IPC-1752A：材料申告管理。

　これらの規格は、クリアランス、テスト、品質に影響を与えます。これらを設計ルールに組み込むことで、設計ツールでの効率的な評価が可能になります。設計ソフトウェアで理解すべき重要なポイントは、これらの要件を設計ルールにエンコードすることで、製造とアセンブリの準備前に物理レイアウトを迅速に評価することができます。

結論

　IPC 規格は PCB 設計者にとって究極のカンニングペーパーであり、レイアウト設計のあらゆる側面に対応する詳細なガイドラインを提供します。これらの規格を活用することで、信頼性が高く、製造可能で、業界ベンチマークに準拠したPCBを作成することができます。JLCPCBがIPCを考慮しながらどのようにPCBを製造しているかをご覧ください。

　IPC規格を無視することは、当初は数時間の節約になるかもしれないが、デバッグや手直し、あるいは製品の故障につながる。ですから、PCB（と正気）は規格に忠実であることに感謝しましょう。しかし、機能的で信頼性の高いPCBを作りたいのであれば、例外もあります。PCBレイアウト設計のためのIPC標準を遵守することは、成功する設計を達成するのに役立ちます。