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AppCADによる伝送線路計算 [プリント基板設計]

下記のサイトからマイクロストリップラインを計算するプログラムがダウンロード可能です。

AppCAD Version 4.0.0
http://www.hp.woodshot.com/

インストールしてみましたが値は微妙に自作のスクリプトの値とはずれていました。

ラインの周辺にGNDが近づいた場合を想定しているのでべたアースのある中で使用したい
場合には有利です。

AppCad_Strip.png

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海外の伝送線路計算サイト [プリント基板設計]

国内の伝送線路を計算できるサイトはいくつかありますが
海外サイトも調べてみました。

その中でこちらはそのバリエーションが多いでしょう。
https://www.eeweb.com/toolbox/microstrip-impedance

エンターキーではなく数値を入力した時点で計算するようです。

Edge Coupled Microstrip」の計算結果などでは
4種類のインピーダンスを表示できるのはすばらしいです。


タグ:Altium Designer
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差動とシングルエンド・インピーダンス [プリント基板設計]

単体で計算したインピーダンスであるシングルエンド・インピーダンスの値としては
50~65Ωが一般的です。

それに対して2本の線を差動ペアとして使用する場合のインピーダンスである
差動インピーダンスZdiffは下記のようになります。

USB 2.0/3.0 : 90Ω
PCI Express : 100Ω (シングルエンド・インピーダンスは60Ω)
シリアルATA : 100Ω



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複雑なフラットケーブルコネクタ [プリント基板設計]

以前に紹介した「コネクタ作成のスクリプト」でどれぐらいのコネクタに対応できるか調べてみました。
http://sophil3.blog.so-net.ne.jp/2017-03-22

JSTのこちらのフラットケーブルコネクタで2列のタイプの中にはそれぞれの列でパッドサイズが
異なるものがありました。
これでは作成したスクリプトでは対応できそうにありません。
http://www.jst-mfg.com/product/search.php?type=1&id=5&page=1

後から片方の列を修正するなどして対応するしかないでしょう。
また取り付けパッドの位置があまりに特殊な場合はスクリプトではマイナス値が入力できないので
仮想的にどれにもわかり易いバイアスを掛けて作成することになるでしょう。


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シルクの文字高さ [プリント基板設計]

シルクの文字の高さと太さに関して
チップ部品で込み合ってしまうとどうしても文字の高さを低くするしかありません。
弊社ではあまりに込み合ってしまうとシルクを省略しドラフトマンで処理することにしています。

知り合いの会社で文字の太さを1mm高でも0.15mmまで細くされているようです。
以前に比べれば若干シルクの文字の精度や綺麗さもアップしているのでそうされているのでしょう。
事前にフットプリント登録しているのでこれを一気に変えるのには勇気がいります。


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KICADのQFPフットプリント [プリント基板設計]

QFPのフットプリントの1番ピンの位置について検索していたら
こちらのサイトを見つけました。
海外サイトなのかもしれませんがこちらでもQFPの1番ピンは左上のみとなっていました。

http://kicad.rohrbacher.net/quicklib.php


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フットプリント形状管理ソフト [プリント基板設計]

「フットプリント形状管理ソフト」で検索したらこちらのサイトがヒットしました。

http://www.ss-technologies.co.jp/service/system/product/parts_control_sys/index.html

こちらではカタログがDL可能です。
http://www.ss-technologies.co.jp/en/products/parts_control_sys/index.html

フットプリントを管理するソフトウェアは非常に少ないのでこういった情報収集が
必要でしょう。


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基板設計とUtility [プリント基板設計]

基板設計の手順と弊社で使用しているUtilityを併記してみます。

1.ネットリストの型番名の自社登録したフットプリントとの差し替え作業
 EXCELのマクロにて全フットプリントのデータベース比較して差し替えます。
 事前に全フットプリントを収集するにはDelphiスクリプトを使用しています。

2.フットプリント作成
 複数のDelphiスクリプトを組み合わせて作成しています。

3.部品配置
 回路図AltiumSCHから生成したREF番号の位置情報をEXCELマクロで間隔を調整して
 AltiumPCBにピックアンドプレースファイルとして位置を移動させます。

4.部品チェック
 PCBとSCHの部品情報をチェックするにはEXCELマクロで型番を厳密に比較しています。
 似たような文字は目視での消し込みをするには限界があります。

5.3D化
 ステップファイルをAltiumPCBに貼り付ける為にデータベースからEXCELマクロで
 一箇所に集めます。
 Delphiスクリプトで専用LIB内でステップファイルを自動で貼り付けます。

主なUtilityとしては以上ですが、場合によってはここには記載していないECXELマクロを
使い分けています。


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生基板のシルク [プリント基板設計]

回路設計者が基板実装が上がった基板を調整する場合に重要なのは回路図よりも生基板の方という
場合があります。

半田付けでCR部品の定数を変更する場合などは回路図はある程度は頭に入っているので邪魔な回路図
よりはまだ慣れていない生基板の方が重要になってしまいます。
ICなどは似たような場所にあるので型番シルクが記載されていないと厄介です。

弊社では8P以上のICであればほぼ100%型番シルクを省略しても入れています。
コメント欄の情報を使用することもありますが、文字数の関係で省略することも考慮して事前に
フットプリント作成時に入れています。

16ピン程度はピン数はわかるのでピン数の数字シルクは入れていません。
しかし、向きは重要なので部品実装しても1ピンがどれかわかるように円弧シルクは少し広めに
しています。
1ピンの丸シルクは実装してしまうと見えなくなるので厄介です。

回路設計者の面から基板設計をすることも重要です。



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ラフレイアウト提出までの時間 [プリント基板設計]

パターン設計の依頼を受けてからラフレイアウトを提出するまでの時間について
A3回路図2ページ程度であれば午前中にもらえたら当日の午後または翌日の朝ぐらいになります。

ここでその時間を短縮するにはネットリストの型番から自社のフットプリントに差し替える作業
フットプリント作成時間、部品配置時間の3つでしょう。

どれもそれなりのユーティリティを使用しているので時間短縮ができています。
これまでは新規部品があった場合は機構設計CADで下書きした後でDXFインポートしての
作成でしたがこれも完成した「FP・Delphiスクリプト」で短時間で処理ができます。

空き時間や承認時間を使って3DACDでステップファイルを作成する時間に当てられます。



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TRなどのパッケージサイズ [プリント基板設計]

プリント基板設計基準書を作成中なのですがTRなどのパッケージに関しても法則があるようです。
2915は有名ですが2125(2012)や1608そして1408、1208、0608があります。

5-6ピンのデバイスの場合も同様に2125(2012)がありますが1612、1208、1008サイズも存在しています。

また2915でもサイズの記載は2916だったり、1208でもサイズが1209だったりするので同じラインナップ
かどうかは系統的に考えないと気がつかない場合があります。

雛形のフットプリントを作成しておいて別名保存することで新規フットプリントや3Dデータを作成
する場合には便利ではありますが、サイズの微妙な違いに注意を払う必要があります。


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挿入実装部品 [プリント基板設計]

通常はディスクリート部品と読んでいるので
IMD(Insertion Mount Device)という呼び名は全然知りませんでした。

SMDに対応するとIMDという言葉も納得がいきます。

パターン設計業務をしていても、知らない言葉がまだあるということに
驚きました。


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PCB Calculator [プリント基板設計]

Delphiで検索していたら偶然に「PCB Calculator」という画像がヒットしました。
マイクロストリップラインなどが計算できるようです。
KiCadに標準装備されているようなのでそれをインストールして使用開始しました。

http://kicad.jp/?p=361

本体の回路図、基板設計の機能はまだ試しておりません。

KICAD_PCB_Calculator.jpg


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フットプリント作成基準書 [プリント基板設計]

チップLCRやチップタンタル、SOPやQFPなどのサイズを複数の資料から解析して
数値化することがフットプリントの作成には重要です。

このブログでも触れていますがそれと平行してPDFの書類にもしています。

こちらにアップしてありますのでご覧ください。
ゆっくりではありますが更新もしていく予定でおります。

http://www5b.biglobe.ne.jp/~sophil/pdf/FT_Basic.pdf

メーカーの資料は表は多いのですが法則が記載されていないのが残念です。
チップサイズが小さくなると半田付けをする部分を小さくするためにどうしても非線形になります。
そこがネックとなるのでしょうか。

パターン設計を始めた初心者や回路設計者自身がプリント基板の設計までする場合は
フットプリント作成のノウハウがないので挫けてしったり、不思議なフットプリントになって
しまうことがあるようです。
こういったことを少しでいいので減らす役に立てば嬉しいです。


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部品手配 [プリント基板設計]

回路図は作成できても部品手配を自分で行わなければいけない場合は厄介です。

国内でもこちらのサイトでその辺りの代行をしてくださるようです。

http://www.marutsu.co.jp/pc/static/guide/Bom_guide_n
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フットプリントとプリント基板設計基準書 [プリント基板設計]

フットプリントを作成して登録しても似たような部品の場合は、プリント基板設計基準書に準拠
していないとパッド形状などにばらつきがでてきます。
スクリプトで作成したものをこれまでのものと比較してもずれがあったりで矛盾がありました。

一人で作成する場合は、シルクの線幅や基本外形などのレイアと線幅のCAD的ルールは
統一することが可能です。DRC設定もこれに含みます。

しかし、パッドを具体的に作成する場合はガルウィングなどのリード線との接触部分の
ヒールとトウ部分をどうするかはプリント基板設計基準書に準拠しないといけません。

「フットプリント作成基準書」という書籍があるといいのですが、それはなさそうです。


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チップLCRのパッドサイズ3 [プリント基板設計]

パッド間のギャップAに関して
EXCELで各社のデータをグラフにしてみると下記のような関係になりました。

A = L x 0.86 - 0.5

Lの14%が電極が乗る部分で0.5mmをマージンとして追加するということでしょうか。

d1は (L - A) / 2 で算出できます。

d2は1608サイズでは0.3mm程度で、2012サイズでは0.7mm程度です。それ以上のサイズは
0.8-0.9mmです。

d2は半田が乗って懸垂線となる部分ですが、チップサイズが小さい場合は仕方なくその値を小さく
しているようです。

Dは d1 + d2 で計算できます。

これでCとDのサイズが求められたのでそのパッドの中心の座標を計算すればスクリプト
完成します。

シルクもスクリプトにてその座標から適当なクリアランスで配置可能な筈です。

Chip_LCR.jpg



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チップLCRのパッドサイズ2 [プリント基板設計]

パッドのCサイズをどう算出するかを各社の資料から調べました。
前の記事にある厚みHに関しては考慮しないことにしました。

1608から6432程度までのチップLCRの縦横のサイズをL x W とします。
4社ぐらいの寸法をExcelに入力してグラフにして傾きと切片を調べたら下記のように
なりました。

C = W x 1.05 + 0.1 

これからするとチップ部品の横幅Wを5%増しして0.1mmを足すということになります。

しかし、メーカーによっては幅があります。そして大幅に小さくなっています。
つまりCに更に0.75~1.0程度の係数αを掛けているようです。

弊社ではこれまでのパッドサイズと矛盾のないように0.95にしています。

フローの場合にチップの厚みHが増加した場合に半田量が増え問題を起こすのでそれを
減らすためにPADサイズを小さくしようとしているのではないでしょうか。
しかし、通常はフローとリフローは共通のPADとする場合が殆どでしょう。

リフローでPADサイズを小さくしてしまうとメタルマスクも小さくなります。チップの厚みが
増加すればクリーム半田は多くの量が必要なりますが、これは逆の行為なのでNGです。
パッドサイズを小さくするのはフローの時だけにした方が無難です。

Chip_LCR.jpg


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チップLCRのパッドサイズ [プリント基板設計]

チップ部品のランドサイズをDelphiスクリプトで作成するために2つのランドのサイズや
間隔などをどうするか色々なメーカーのパッドサイズから調べています。

そして、スクリプトで処理するためにはどうしても数式にする必要があります。
ある程度はまとまってきましたが問題はチップの厚みです。

チップ抵抗よりもチップLやチップCが厚みがあるのでその厚みHも数式に入れる必要があります。
同じパッドでもチップの厚みが増すとそのパッドに乗る半田の総量が増えてマンハッタン現象が
発生してしまうのでパッドサイズを逆に小さくすることでその量を調整する必要があります。

とりあえずチップの厚みの平均を0.5mmとしそれ以上になるとパッドをチップサイズよりも
少しだけ小さくするようにしました。

3216のチップの場合はパッドに接触する部分は1.6mmですが厚みが0.5mm以上の場合
パッドはこれより小さいサイズもあり得るということです。

実際にムラタやTDKのパッド幅は小さいサイズも考慮したのかワイドレンジになっています。


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フットプリント設計基準 [プリント基板設計]

パターン設計をする場合に重要なのはパターン設計基準書以外にフットプリントです。
回路設計者やパターン設計初心者にとって重要なのはこのフットプリント作成の方でしょう。

インターネットで「フットプリント設計基準書」を検索してもそのワードではヒットしないようです。
プリント基板設計基準書はいろいろ存在しますがフットプリントについてふれているのは
1社ぐらいでした。

ジャンル分けすればそれについて記述できそうなので、作成のために必要な資料を収集中です。


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