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第１部

基本編
第1章

回路図作成から部品配置 / 配線まで

プリント基板設計
はじめの一歩漆谷 正義 Masayoshi Urushidani
基板CAD上で配置した部品データが指定どおりの形状か確かめる

部品どうしの接触がないかチェックする

7 つの手順で実現！

3Dライブラリがない部品はフットプリントだけが表示される
写真 1 部品実装後トランジスタ・チェッカを動作させているところ（実機）

図 1 プリント基板 CAD KiCad で作成が完了したトランジス
タ・チェッカ基板の 3D 表示
基板のレイアウトが完了するとパソコン上で部品実装後のイメージをつかめる．本章では本器を KiCad で作り上げるためのデータ作成方法か
ら発注 / 動作確認までの流れを紹介する

パソコン上で行う
回路図を手描きする

プリント基板CAD KiCadで行う主な作業
回路図エディタ
で手描きした図を入力回路の部品シンボルと基板エディタのフット
プリントのひも付け
部品
シンボル

基板エディタでプリント・パターンを描画する

ガーバ・
データ
出力

基板製造会社への発注

＋−フット
プリント

図2

手描きの回路図作成から基板発注までの流れ

プリント基板 CAD KiCad では主に点線内の作業を行う．パソコンとインターネット接続環境があれば基板発注まで行うことができる

本 稿 で は， フ リ ー で 定 評 の あ る プ リ ン ト 基 板
CAD KiCad を使い，回路のデータ作成から発注 /動作確認までの流れを解説します．
図 1 は今回 KiCad で作成したトランジスタ・チェッカの基板レイアウトの 3D 表示です．写真 1 は部

10No.142

品実装後トランジスタ・チェッカを動作させているところです．
プリント基板を作ると，シンプルな回路であっても，格好良くコンパクトに作れます．

見本

第2章

スルーホール，FR − 4，レジスト，レイヤ…

基板メーカと話せるようになる専門用語 24
漆谷 正義 Masayoshi Urushidani
両面基板の部品面．
ガラス・エポキシ片面基板の部品面．
この面に部品をのせる．
基板の材質はガラス・エポキシ

折り曲げができる

好みの形にカットできる
写真 2
第1章で製作した
片面基板
写真 1

片面基板のはんだ面．この面に部品の足（リード線）をはんだ付けする

熱も容易にできる硬質材料で作られたリジッド・プリント基板

通常，プリント基板と言えばこれを指す

本稿では，製造メーカから質問が来てもスムーズに応対できるようになるため，プリント基板の基礎用語を解説します．
〈編集部〉● リジッドとフレキシブル
プリント基板は，大きくリジッド・プリント基板とフレキシブル・プリント基板に分かれます．
リ ジ ッ ド・ プ リ ン ト 基 板 は， 銅 張 積 層 板 CCL（Copper Clad Laminate）を加工したもので，固くて曲げることができません（写真 1）．
曲げることのできるプリント基板は，フレキシブ
ル・プリント基板（FPC：Flexible Printed Circuits），略してフレキと呼ばれます．スマホなどハンドヘルド機器によく使われます（写真 2）．
リジッド・プリント基板（銅張積層板）を材質で分類
すると，大きく，紙フェノールとガラス・エポキシに分かれます．板厚は 0.4 〜 3 mm の範囲で選べます．
標準は 1.6 mm です．銅はくの厚さは標準が 18μm で，22折り曲げたり切ったりできるフレキシブル基板

リジッド・プリント基板に比べて柔軟で薄型．金属板に貼りつけると放No.142

厚いものでは 175 μm もあります．表 1 に基板材質の特性の一部を示します．最近ではハロゲン・フリーの材質も求められるようになりました．
● エッチング
銅はくを薬液などで溶かして，基板にマスク・パターンを形成する作業のことです．
図 1 にプリント基板の標準的な製造方法を示します．
まず銅張積層板にドリルで穴を開けます．穴の内側に導電性の金属（銅など）をめっきします．めっき厚は最小 15 μ〜 25 μm とかなり薄いので，銅食われ＊ 1 などに気をつけます．この穴をスルーホールと言います．
この上に感光性のレジスト（ドライ・フィルム）を貼りつけ，パターンの印刷されたフィルムを通して露光し，感光性レジストをエッチングします．残った感光性レ
ジストはパターンの形をしています．このまま薬液などにより銅はくを除去（エッチング）すると，銅はくのパターンができます．最後に感光性レジストを除去す
れば，銅はくパターンだけ残ります．逆の面とはスル＊1：銅はくがはんだに浸食されること．

見本

第3章

イントロ

最短配線，電源ライン，GND，スルーホール，シールド，配線長…

1回路の性能に差が出る!
プリント・パターンの描き方要点

23

漆谷 正義 Masayoshi Urushidani

45D

R3
1.8k

R127k

R5C3470Ω

1000p

Tr22SA1015

A

Tr12SC1815

10μR24.7kを最短にする

100μ6デカップリング・コンデンサの配線は電源とGND面との距離を短くする

B

C1I/Oバス・ライン

C4C

R4C2820Ω

100μ

A 〜 C 点につながる素子間の配線はできるだけ短くする

78
図2

IC のバス・ラインはできるだけ最短距離で配線する渉が低下するだけでなく，基板面積も小さくできる．IC の向きと配置をラッツ・ネストを見ながら調整する

10平面で配線するのが基本なので，プリント・パターンが交差することは許されません．できるだけジャンパを使わずにプリント・パターンを描き，だめならほかの層にビアを通してまたぐ，という作業を行います．
大振幅と微小信号が通る回路や，高周波と低周波の信号のプリント・パターンが隣り合わせになることもあります．何も考えずにプリント・パターンを描くと，

11

図 1 電子回路の性能に影響を与える部品どうしの配線はできるだけ短くする
プリント・パターン（配線）が長くなると，回路図上にはない抵抗などの寄生した成分が生じ，電圧降下や雑音などが発生し回路に影響を与える可能性がある．これを避けるには，できるだけ短くプリント・パターンを描くようにする

せっかくプリント基板を作るならば，見た目の格好良さだけでなく，ハードウェアの性能や品質も良くしてみませんか．
本稿では，高性能なハードウェアを作るときに必要なプリント基板の配線パターンの決めワザを紹介します．本テクニックは，高感度なラジオやソフトウェア無線機，高音質のハイレゾ・オーディオ，部品を長持ちさせるパワエレ回路，信号をきっちり伝送するコンピュータ・ボードのインターフェースなどの基板を作るときに利用できます．
〈編集部〉● 1 回で成功する基板作りを目指す
電子回路は，配線の引き回しが極端に悪いと本来の動作をしません．
基板のプリント・パターン（配線）には，目に見えない抵抗，インダクタンス，容量などの寄生成分があり，電子回路が予期しない動作をする可能性があります．
プリント・パターンは，電線を使う場合と異なり，9I/O バス・ラインのプリント・パターンを最短配線にすると，信号間干●雑音が信号にのる●回路が誤動作する●

外部に雑音を出す

12131415などの現象が起こります．
失敗のたびに，原因を究明して，プリント・パターンを修正，発注するのは，時間，お金，労力のむだ遣いになります．
失敗を回避するために，プリント・パターン設計にはいくつか守ったほうがよいテクニックがあります．

16● できるだけ最短距離配線にする
図 1 の回路は，抵抗やトランジスタといった部品どうしが配線されています．基板上では，これらの配線をプリント・パターンと言います．
図 1 の配線は部品を境目として，Ⓐ〜Ⓒのブロックに分かれています．

見本

できるだけ最短距離配線にする

31

第2部

LTspice & KiCad による実践編
イントロ

だだっ広くなく狭すぎない…
スムーズに流れる幅と径

第4章

1

ちょうどいいプリント・パターン＆ビアの決め方

23

志田 晟 Akira Shida
電源IC

AC100V

出力
DC5V

発熱

9V0V

5発熱W ＝ I 2R

69V

電流 I
電流 I

スイッチング電源
DC9V/5A

4R

7ディジタル回路

炭化するとショートする

モータ
駆動回路

8モータ

9（a）全体放熱フィン

10MOSFET
電流が流れるとプリント・パターンが過熱してエポキシが変色する

0.25mm幅の細い
プリント・パターン（b）悪い例
図111
プリント・パターン幅が適切なら，電流が流れても発熱しない2mm幅（c）良い例

1213

モータ駆動基板のプリント・パターン例

基板を作るときは，プリント・パターン幅と許容電流を考える．プリント・パターンの発熱による温度上昇は 10℃内に抑える．スイッチング電源側の

14

プリント・パターンはエポキシ材の炭化などでショートが起きると電源の最大電流まで流れるので慎重に検討する

本稿ではちょうどいいプリント・パターンの幅とビア径の決め方を解説します．
プリント・パターンは，回路図どおりに配線するだけでは不十分です．パターンを流れる電流の大きさに合わせて描く必要があります．
0.5 A 以上の電流が流れるプリント・パターンを作るときは許容電流と発熱の影響も考えます．図 1にモータ駆動基板の例を示します．プリント・パタ
ーン幅が狭いと，パターンの抵抗が大きくなり，電流I による発熱（W ＝I 2R ）が無視できなくなります．
図 1 の電源 IC の入力側は，容量の大きいスイッチング電源につながっています．基板の絶縁が悪化すると，この電源容量までの大電流が基板に流れます．
プリント・パターンによる発熱が周囲温度より10℃以内になるように作るのが１つの目安です．

プリント・パターン幅の目安と計算式

15

● 目安
▶セルフ・チェック
プリント・パターンを描く前に，パターン幅を設定します．
図 2 に基板 CAD KiCad のデザイン・ルール設定画
面を示します．
インチまたは mm の設定によって値が異なります．
特にインチ系の指定がない場合は，プリント・パター
ン設計は mm 系設定のほうがわかりやすいです．
▶ディジタル信号線
図 2 に示したデフォルトは，ディジタル信号線の配線幅です．図 2 では 0.25 mm 幅に設定しています．これで 2.54 mm ピッチの IC のピン間に 1 本配線を通せま16

見本

プリント・パターン幅の目安と計算式

59

第5章

塗りつぶしでビクともしない
足場を固めるGND のベタ・パターンの作り方加東 宗 Takashi Kato
電源電圧を安定化させるコンデンサ（パスコン）．1個のIC当たり数個使う
PICマイコンやRF IC

USB

表層

PICマイコンやRF IC

VDD

表層と裏層をつなぐ導電性の穴（スルー・ホール）

GNDに接続される

USB
例えばUSBなどのデータ通信用のプリント・パターン

塗りつぶし状のGND
プリント・パターン（面状の銅はく）
裏層

基材（樹脂）

例えばUSBなどのデータ通信用のプリント・パターン（a）GNDプリント・パターンその 1（おすすめの技）

細い線状のGND
プリント・パターン（b）GNDプリント・パターンその 2（細い線状で描く従来の方法．おすすめしない）

図 1 マイコンや FPGA，RF チップなど，最近の高速化したワンチップ IC の真下や信号線の下層にある GND パターンは塗りつぶし状（ベタまたはプレーンと呼ぶ）にしないと安定した動作が得られない
図（a）のほうが図（b）よりも誤動作の可能性が低い．ベタ状の GND パターンの電位を揺するエネルギは，主に IC の電源−GND 間に接続するたくさんのパスコンを介して供給される．これらのパスコンの実装位置が適切でないと，面の電位が振動する共振が起きて IC が誤動作したり，データ通信に失敗したりする．本稿では，フリーの電子回路シミュレータ LTspice を使って，適切なベタ GND の作り方を伝授する

本稿では，LTspice を使って，基本中の基本である塗りつぶしプリント・パターンの正しい作り方を紹介します．IC や回路にとって，安定な動作基準（グラウンド，GND）とエネルギ供給源（電源）は命綱です．魅力のあるワンチップ・コンピュータや FPGA，RF 無線 IC は，半導体の進化によって内部のトランジスタがいつのまにか超高速化しています．下手な塗りつぶしを作ると，大きな電圧の波が発生して（共振現象という），IC や回路の足元やエネルギ供給源が暴れます．本稿では，LTspice を使って IC が気持ちよく動ける塗りつぶしの形状を検討する方法も紹介します．
〈編集部〉

GNDや電源には塗りつぶしプリント・パターンがおすすめ
GND と電源は電子回路の動作基準です．プリント・パターンのどの位置の電位を測っても同じ（GND なら66

No.1420V，電源なら 3.3V や 5.0V）であるべきでしょう．でも，実際は違います．
図 1 に示すのは，2 通りの方法で描かれた PIC マイコンのプリント・パターンです．図 1（a）は，データ信号線の下に広い面状（ベタまたはプレーンなどという）の GND プリント・パターンを敷いた例，図 1（b）
は細長い線状の GND プリント・パターンをデータ信号性に沿わせて描いた例です．電流は，表層に実装された PIC マイコンの端子から信号プリント・パターンを流れ，裏層の GND プリント・パターンを流れてPIC マイコンに戻ってきます．
私がおすすめするのは，図 1（a）のベタ GND です．
プリント・パターンが広いほど，インピーダンスが低くなるので，どの場所の電位を測っても限りなく0V に近い状態が保たれています．
図1（b）のような細長い GND プリント・パターンは，データ信号の電位変動に合わせて，電位が変動します．

見本第6章イントロ

効率，応答，精度…あなたの描き方
ひとつで良くも悪くも1

放射ノイズを低く抑える
部品配置方法23

藤田 雄司 Yuji Fujita
本稿では，部品 8 点のシンプルな降圧型スイッチング電源回路を例に，放射ノイズを低く抑えるプリント基板の作り方を解説します．
1 MHz 超の高い周波数でスイッチングする電源IC が増えています．周波数が高いものほどサイズが小さい傾向があります．しかし，ノイズが大きいため，微小信号を扱うシステム（無線機や高精度モニタ）では敬遠されています．
電源の性能は，部品の配置やプリント・パターンの描き方によって大きく変わります．適切な部品選択とプリント基板設計ができれば，安定性や信頼性も向上します．今回の例題回路（図 1，図 3）は，携帯充電器，CPU などの論理回路，16 ビット A−D コン

4R2C3

図189

例題回路…入力 12 V，出力 5 V/1.2 A の降圧型電源

部品数 8 点で 5 V の定電圧が得られる．部品の配置や配線によってノイズ電圧が異なる．部品自身の影響を小さくするために表面実装品を使う．
配置やプリント・パターンの影響をわかりやすくするために片面基板で10

例題の基板を製作した

11す．電源 IC は ADP2301（アナログ・デバイセズ）を使用します．スイッチング周波数は 1.4 MHz，出力電圧は 5 V，最大出力電流は 1.2 A です．今回は異なる部

125V出力出力はバイパス・コンデン
サの両端から取り出す

入力はバイパス・コンデンサの両端から取り出す

C17

1

大きな過渡電流の経路が狭くて長い

R169.1k
出力センシングの分圧回路

入力側のバイパス・コンデンサバータの電源基板作りの参考になります．〈編集部〉● 1.4 MHz，5 V/1.2 A の高機能ディジタル IC 用電源を例に
図 1 に例題の降圧型スイッチング電源回路を示しま

5I C1 ADP2301
インダクタ 出力側の（アナログ・デバイセズ）
バイパス・L1C512コンデンサ
TP1Vin BST
3.3μH
6 0.1μTP3SW
D143C3ENFB
CMS16 10μ12V
GND
C15V（東芝）
入力
210μ出力R 2 4.7k
環流ダイオード
TP2TP4R5V出力
12V入力

R2131415R112V
入力

C316I C1C2D1

入力端子が環流ダイオードの電流経路途中にある
図25V出力L1C1L1C2D1

I C1

出力取り出しがインダクタの電流経路途中にある

12V入力

悪い部品配置とプリント・パターンの例

大きな過渡電流の経路が短くなるよう部品を配置する

コンパクトに配置しているように見えるが，大きな過渡電流が流れる入

図3

出力バイパス・コンデンサや還流ダイオードのプリント・パターンが長大きな過渡電流の経路が短くなるよう配置している．銅はくのインダク

いため，十分な性能が出せない．大電流の経路途中から入出力を取り出タンスや抵抗成分の悪影響を最小限に抑えている．入出力はバイパス・すとノイズが閉じ込められないコンデンサの両端から取り出すことでノイズを閉じ込める

良い部品配置とプリント・パターンの例

見本

1.4 MHz，5 V/1.2 A の高機能ディジタル IC 用電源を例に

73

第3部

製作編
や Gmail と連動できるセンサ
第 11 章 Twitter
計測コンピュータ・ボードに大変身！

ラズベリー・パイ用
アナログ入力拡張基板の製作
志田 晟 Akira Shida
ラズベリー・パイはインターネットへの接続が簡単で，センサの情報を Web にアップロードするような用途に便利です．ただしディジタル入力しか持たず，アナログ信号をそのまま入力できないのが弱点です．
そこでアナログ入力拡張基板を作りました（表 1）．
ユーザが多い定番の A−D 変換 IC を搭載し，センサ・モジュールをつなげられる入力端子（電源ピン付き）を用意します．この基板があれば，ラズベリー・パイはセンサ接続用プラットフォームに早変わりします．

センサからのアナログ信号を取り込んで Web 通信● ラズベリー・パイを使えばセンサやコントローラをインターネットにつなげられるIoT（Internet of Things）という言葉が流行しています．これから私たちの身の回りのいろいろなものがインターネットにつながっていき，インターネット経由で情報取得や操作ができるようになっていきます．
図 1 は，インターネットにつながったラズベリー・パイで作ることができる装置の例です．離れた場所の温度，湿度，明るさなどをセンサで測り，インターネ
ット経由で手元のスマホに情報を送れます．スマホから水やり用のバルブを操作できます．このような遠隔

液晶モニタ
散水器

項 目
入力電源
内部電源

3.3 V アナログ電源

アナログ信号入力数

8 チャネルA−D 変換分解能

12 ビット（分解能 1/4096）

A−D コンバータ

MCP3208T−CI/SL

通信方式

SPI

外部センサ用
アナログ電源3.3 V，合計 100 mA 以下

センサ用
ピン・ヘッダチャネルごとに独立した電源付き 4 ピ
ン・ヘッダ× 4，それ以外の 4 チャネルをまとめた電源付き 6 ピン・ヘッダ× 1

での情報取得や操作が，いろいろな場面で広がります．
● アナログ出力センサとの間にA−Dコンバータが必要
このような用途では，温度や圧力などの値を検出するセンサ機能が重要です．センサには出力がアナログ値のタイプもあります．ラズベリー・パイにアナログ値を取り込む機能を持たせるには，A−D コンバータ

A-D変換ボードがあればセンサ信号を取り込める
ラズベリー・パイ

WebLAN畑
ルータ

ラズベリー・パイはインターネット経由で情報を取得したり機器を制御したりする実験にピッタリ！

No.142

スマホによるモニタリングとコントロール

ノートPCによるモニタリングとコントロール

カメラ

ただし単体ではアナログ信号の入出力ができないので，追加の回路を用意しなければいけない

112

仕 様
ラズベリー・パイから GPIO ピン・ヘッ
ダ経由で供給．5 V（アナログ電圧生成用）および 3.3 V（ロジック回路電源用）

ルータ
図1

アナログ入力拡張基板「PiAD ボード」の主な仕様

温度センサ
湿度センサ

水栓コントローラ

表1

最大 8 チャネルのアナログ入力を可能にする見本第 12 章

帯域 200M〜1.5GHz！無線機や Wi − Fi
周辺を飛び交う信号の動きが見えてくる

イントロ

1

パターン・アンテナ＆LED で作る電波スキャナ

23

加東 宗 Takashi Kato
本器のパターン・
アンテナ

スマホのアンテナにかざすと電波が出ているか確認できる

45

電波が強い
ほどLEDは明るく光る

6
7

2本のプリント・
パターン

プリント・
パターンに進行波と反射波があるとLEDが両方点灯する（a）伝送路に進行波と反射波が両方存在しているとき両方のLED が点灯する
写真 1

カード・サイズの電波スキャナを製作

基板の配線やアンテナなどに電圧が加わり，電流も流れると周囲の空間

89

スマホ（b）スマホや Wi−Fi のアンテナにかざすと電波の送信状態を確認できる

11

本器の特徴に電磁界が発生する．本器をかざすだけで，LED が光り，電磁界の強度を調べることができる．本稿では本器の作り方を紹介する．（a）において整合が完全で反射波が存在しないとき，信号源側（近端側）の LEDだけが点灯する．200 M 〜 1.5 GHz の範囲で正弦波の場合，− 20 dBm（70 mV）以上が伝送路に流れていれば反応する．（b）の待機中のスマホでもときどき電波を出していることがわかる

本稿では，目に見えない電磁界を可視化するチェッカを作ります．
プリント・パターンなどの導体に電圧を加えると，その周りに電界が発生します．導体に電流が流れると，その周りに磁界が発生します．電界と磁界が同時に組み合わさると電磁界が発生します．身の回りのコンピュータ・ボードやスマホも電磁界を発生していますが，目には見えません．最近は電磁界を可視化する装置も出始めています．そのような高価な装置でなくても，電磁界の存在や強弱を確認できる程度のチェッカなら自作できます（写真 1）．
本器を使うと，信号の強弱や向き，反射波や整合状態まで可視化できます．カード・サイズの基板と部品合わせて，約 500 円で手軽に作れます．物理現象の実験や研究にも利用できます．
〈編集部〉

10

● 電磁界を可視化する
電気は目に見えないため，計測器が目の働きをします．測定器は，ディジタル・マルチメータ，オシロスコープからスペクトラム・アナライザ，ネットワーク・アナライザに至るまで実に多岐にわたります．
その中でも特に測りにくいのが電磁界です．ボード内で発生するノイズや共振，不要輻射などの発生源が写るカメラがあれば便利だと思った方も多いでしょう．
今回，電磁界の強さに応じて LED が光って可視化できるチェッカを製作しました．
● 電磁界だけでなく信号の方向もチェックできる
本器は電磁界の強弱ばかりでなく，信号の方向も検知します．
図 1 のようにして，ボード上の伝送路の信号が流れる方向を検出できます．左右ある LED のうち信号源側だけが点灯します．
信号が双方向のときや整合が悪くて反射波があるときは，両方の LED が点灯します．双方向通信ではな
いのに両方の LED が光るときは，反射が起きている（不整合になっている）可能性があります．

1213141516見本

本器の特徴

133

第 13 章イントロ

1.2 V，1.8 V，3.3 V…ディジタル IC
周りの狭スペースにねじ込んでやる

1ポータブル・マシンにビルトイン！
ピンポイント・ミニ電源モジュール

23並木 精司 Seiji Namaki

45

ポータブル機器には，1.2 V，1.8 V，3.3 V などの複数の電源で動くマイコン，FPGA，ASIC が搭載されています．限られた基板スペースにたくさんの電源回路を組み込むには小型で形のフレキシブルな電源モジュールが有効です．
本稿では，昇圧型 DC−DC コンバータ（ピンポイ

狙いどおり678ント・ミニ電源モジュール）を例に，電源の基本動作 / 部品選びから基板製作までを解説します．
特に電池 1 本で動作するような小型ポータブル機器には大活躍することでしょう．
〈編集部〉

イラスト 1 1.2 V，1.8 V，3.3 V などの電源が多いマイコンやFPGA，ASICなど最近のIC用には場所をとらないピンポイント・ミニ電源モジュールがうれしい製作した 2×3 cmのピンポイント・ミニ電源モジュ
ールは，乾電池 1 本の電圧を一般的なマイコンが動作する 3.3 V や 5 V に変換できます（写真 1）．

ポリスイッチVin

10

製作するピンポイント・ミニ電源
モジュールの用途

ショットキー・バリア・ダイオード

111213

電圧切り替え用のジャンパ

14Vout

インダクタ

15

ワンチップ
電源ICのON/OFF

16GND

GND

入力4ピン・ヘッダ

出力4ピン・ヘッダ

出力コンデンサ
入力コンデンサ

写真 1

9スイッチ素子を内蔵する
ワンチップ電源IC製作したピンポイント・ミニ電源モジュール（昇圧型）

出力電圧検出抵抗見本

単 1 〜 3 型の乾電池，ニッケル水素蓄電池，ボタン電池 1 本から，3.3 V または 5 V の電圧を出力する．サイズは 2×3 cm と小型．ピン・ヘッダ付きでブレッドボードにも挿せるので，実験にも利用できる

製作するピンポイント・ミニ電源モジュールの用途

141