初心者のためのPCB設計：2025年完全ガイド

要約

PCB設計は明確なワークフローに従います:回路図作成 → フットプリント割り当て → 部品配置 → 配線 → DRC実行 → Gerberエクスポート → 基板発注。シンプルなプロジェクトには2層基板から始めましょう。45°の配線角度、太い電源配線(0.5mm以上)、グランドプレーンを常に含めましょう。発注前にフットプリントが部品と一致することを確認してください。合計コスト:5枚のプロトタイプ基板で約$2-10です。

はじめに

プリント基板(PCB)は現代のエレクトロニクスの基礎です。ポケットの中のスマートフォンから地球を周回する人工衛星まで、すべての電子機器はPCBに依存して部品を接続し、回路を動作させています。

独自のPCBを設計することを学ぶことで、信じられないほどの可能性が開けます。カスタムエレクトロニクスを構築し、発明品のプロトタイプを作成し、アイデアを物理的な製品に変えることができます。そして、手頃な価格の製造サービスのおかげで、プロフェッショナルな基板を作るコストはコーヒー1杯よりも安くなっています。

このガイドでは、初めてのPCBを設計するために必要なすべてを網羅しています —基礎の理解から基板の製造、そしてドアまでの配達まで。

初心者向けPCB設計 - 2025年完全ガイド PCB基板と主要コンセプトを表示

学べること:

PCBの基礎と用語
適切な設計ツールの選択
完全なPCB設計ワークフロー
層構成とその使用時期
配線のベストプラクティス
よくある間違いとその回避方法
基板の製造と発注

PCBとは?

プリント基板(PCB)は、絶縁材料でできた平らな基板で、その表面に導電性の経路がエッチングまたは印刷されています。これらの経路 (トレースと呼ばれる)は、抵抗、コンデンサ、集積回路(IC)などの電子部品を接続して完全な回路を形成します。

PCB以前は、回路はポイント・ツー・ポイント配線やブレッドボードを使って構築されていました—これらの方法は遅く、エラーが発生しやすく、大量生産が不可能でした。PCBは、一貫性のある信頼性の高い、スケーラブルな製造を可能にすることで、エレクトロニクスに革命をもたらしました。

PCBの構造

設計を始める前にPCBの構造を理解することが不可欠です。主要な構成要素は以下の通りです:

PCB構成要素の説明

基板 (FR4): ベース材料、通常はガラス繊維強化エポキシ。標準厚さは1.6mmです。 FR4は難燃性(したがって"FR")で構造的なサポートを提供します。
銅層: 薄い銅箔(通常1ozまたは35μm厚)が基板に積層されます。これらが導電性の経路を形成します。PCBは1、2、4、またはそれ以上の銅層を持つことができます。
トレース: 部品を接続する銅の経路。幅は電流要件に基づいて変化します —幅の広いトレースは過熱することなくより多くの電流を運びます。
パッド: 部品がはんだ付けされる露出した銅領域。スルーホールパッドには穴があり、 SMDパッドは表面実装部品用の平らな表面です。
ビア: 異なる層のトレースを接続するメッキされた穴。多層基板が表と裏(または内部)の層間で信号をルーティングするために不可欠です。
ソルダーマスク: 銅を酸化から保護し、はんだブリッジを防ぐ色付きコーティング(通常は緑色)。様々な色で利用可能:緑、青、赤、黒、白。
シルクスクリーン: 基板表面に印刷されたテキストとシンボル。部品指定子(R1、C1、U1)、極性マーク、ロゴ、組み立て情報が含まれます。

PCBの種類

PCBは層数と構造に基づいていくつかのタイプがあります:

タイプ	層数	用途	コスト
片面	1	シンプルな回路、電源	最安
両面	2	ほとんどの趣味のプロジェクト、Arduinoシールド	安い
多層	4+	複雑な設計、高速、RF	中~高
フレキシブル	1-6	ウェアラブル、狭いスペース	高い
リジッドフレックス	4+	折りたたみデバイス、航空宇宙	最高

初心者には、2層(両面)PCBが機能とコストの最良のバランスを提供します。両面で配線でき、グランドプレーンを追加できるため、ほとんどの趣味のニーズを解決します。

PCB設計ツール

PCBを作成するには、電子設計自動化(EDA)ソフトウェアが必要です。これらのツールを使用すると、回路図を描き、基板をレイアウトし、製造ファイルを生成できます。2025年のベストオプションは次のとおりです:

ツール比較

EasyEDA(初心者におすすめ)

無料のブラウザベースツール、JLCPCB発注機能統合。巨大な部品ライブラリ。学習曲線ゼロ。

✓ 100%無料、制限なし
✓ すべてのプラットフォームで動作
✓ 100万以上のフットプリント付き部品
✓ 直接JLCPCB統合

KiCad

無料のオープンソースプロフェッショナルツール。学習曲線は急ですが、より強力な機能。

✓ 無料でオープンソース
✓ プロフェッショナルグレードの機能
✓ 大きなコミュニティ
✓ ベンダーロックインなし

Altium Designer

プロフェッショナルの業界標準。高価だが機能完全。急な学習曲線。

✓ 業界標準
✓ 高度な機能
✗ 年間約$5,000のライセンス
✗ Windowsのみ

Autodesk EAGLE

人気の趣味家向け選択、現在はAutodesk所有。無料版には基板サイズ制限があります。

✓ 大きなユーザーコミュニティ
✓ 優れたチュートリアルが利用可能
✗ 無料版は2層に制限
✗ 80cm²基板サイズ制限(無料版)

推奨: PCB設計が初めての場合は EasyEDA から始めましょう。最も緩やかな学習曲線を持ち、午後のうちに回路図から基板発注まで行えます。より高度な機能が必要になったり、オフラインツールが必要になったら、KiCadに移行してください。

PCB設計ワークフロー

すべてのPCB設計は、使用するツールに関係なく、同じ基本的なワークフローに従います。このプロセスを理解することで、効率的に作業し、コストのかかるミスを回避できます。

ステップ1:回路図設計

すべては回路図から始まります—部品がどのように電気的に接続されるかを示す象徴的な図です。回路図は"真実の情報源"であり、レイアウトに移る前に正しくなければなりません。

主要な回路図プラクティス:

階層設計を使用複雑な回路の場合—機能ブロックに分割
電源シンボルを追加(VCC、GND)配線を至る所に描くのではなく
すべてのネットにラベル付け意味のある名前で —デバッグ時に役立ちます
バイパスコンデンサを含めるすべてのIC電源ピンの近くに (通常100nF)
ERCを実行(電気ルールチェック)接続エラーをキャッチ

ステップ2:フットプリント割り当て

各回路図シンボルには、対応するフットプリント—はんだ付け用の物理的なパッドレイアウトが必要です。ここで多くの初心者が致命的なミスを犯します。

重要な警告:間違ったフットプリントは使用不可能なPCBの第1の原因です。常にフットプリントの寸法を部品のデータシートと照合して確認してください。0603抵抗フットプリントは0805抵抗を受け入れません —部品が単に適合しません。

SMD部品の一般的なパッケージサイズ(メートル法名は括弧内):

0402 (1005):小さい、リフローはんだ付けが必要
0603 (1608):小さい、練習すれば手はんだ可能
0805 (2012):手はんだが簡単、初心者におすすめ
1206 (3216):大きい、非常に手はんだが簡単

ステップ3:部品配置

適切な配置は配線を簡単にし、性能を向上させます。信号の流れについて考え、関連する部品をまとめて配置します。

配置ガイドライン

1.最初にコネクタを配置機械的な適合のために基板端に
2.ICを配置し、その周りにサポート部品を配置
3.バイパスコンデンサを配置IC電源ピンから3mm以内に
4.アナログとデジタルを分離ノイズを減らすため
5.配線用のスペースを残す部品間に
6.熱管理を考慮電源部品用に

ステップ4:トレース配線

配線は部品パッドを銅トレースで接続します。ここで魔法が起こります—回路図が物理的な回路になります。

ほとんどの設計はこの優先順位で配線します: クリティカル信号 → 電源 → その他すべて。配線のベストプラクティスについては以下で詳しく説明します。

ステップ5:デザインルールチェック(DRC)

DRCは設計が製造制約を満たしていることを検証します。一般的なルールには以下が含まれます:

最小トレース幅: 0.15mm (6 mil)標準
最小クリアランス: トレース間0.15mm
最小ドリルサイズ: ビア用0.3mm
アニュラーリング: 穴を囲む銅

DRCをスキップしないでください。製造後のエラー修正は高価です—ソフトウェアでの修正は無料です。

ステップ6:Gerberファイル生成

GerberファイルはPCB製造の業界標準フォーマットです。 EDAツールは以下を含むZIPをエクスポートします:

銅層(GTL、GBL表/裏用)
ソルダーマスク層(GTS、GBS)
シルクスクリーン層(GTO、GBO)
基板外形(GKO)
ドリルファイル(DRL)

このZIPを製造業者のウェブサイトにアップロードし、オプション(色、厚さ、数量)を設定して発注します。

層構成の理解

層構成は、銅層と基板がPCBでどのように配置されるかを決定します。この選択はコスト、配線の難しさ、電気性能に大きく影響します。

2層対4層:それぞれをいつ使用するか

2層を選択する場合:

✓ 部品が少ないシンプルな回路
✓ 低周波設計(<10MHz信号)
✓ 予算が主な懸念事項
✓ PCB設計の学習
✓ LEDプロジェクト、シンプルセンサー、基本的なArduinoシールド

コスト:JLCPCBで5枚約$2

4層を選択する場合:

✓ 2層で配線できない
✓ 高速信号(USB 2.0+、SPI >20MHz、DDRメモリ)
✓ 専用の電源とグランドプレーンが必要
✓ EMI/EMC準拠が必要
✓ RF回路または敏感なアナログ

コスト:JLCPCBで5枚約$20-30

経験則:2層から始めましょう。すべてを配線できない場合、または信号整合性の問題がある場合は、4層に移行します。ほとんどの趣味のプロジェクトは2層で問題なく動作します。

トレース配線のベストプラクティス

適切な配線は、動作する基板と問題のある基板を分けます。信頼性があり製造可能な設計を作成するために、これらのガイドラインに従ってください。

トレース幅ガイドライン

トレース幅は、トレースが過熱することなく運べる電流量を決定します。関係はIPC-2221標準に従います:

トレースタイプ	幅	最大電流(概算)
信号トレース	0.15-0.25mm	~0.5A
電源トレース(低)	0.5mm	~1A
電源トレース(中)	1.0mm	~2A
高電流	2.0mm+	~4A+

正確な計算には、銅重量、温度上昇、トレースが内部か外部かを考慮した PCBトレース幅計算機を使用してください。

配線ルール

45°角度を使用

90°ではなく45°角度でトレースを配線します。鋭角なコーナーは製造時に酸トラップを引き起こし、高周波で信号反射を引き起こす可能性があります。ほとんどのEDAツールはデフォルトで45°配線です。

トレースを短く保つ

短いトレースは抵抗とインダクタンスが低くなります。トレース長を最小化するために配置を最適化します、特に高周波信号と電源用に。

敏感な信号の交差を避ける

アナログ信号とデジタル信号を並行して配線したり、それらの間にグランドプレーンなしで交差させたりしないでください。クロストークが謎の干渉を引き起こす可能性があります。

サーマルリリーフを使用

大きな銅プレーンに接続されたパッドには、サーマルリリーフ(スポークパターン)が必要です。プレーンがヒートシンクとして機能せずにはんだ付けできるようにします。

グランドプレーン:なぜ重要か

グランドプレーンはGNDに接続された大きな銅注ぎです。すべての真剣なPCBには1つ必要です。利点には以下が含まれます:

低ノイズ:信号は直接的なリターンパスを持つ
優れたEMI:プレーンが放射に対してシールド
低インピーダンス:電力供給が改善
熱拡散:銅が熱を放散

2層基板の場合、主に底層をグランドプレーンとして使用します。 4層基板の場合、層2は通常固体グランドプレーンです。

初心者のよくある間違い

他者の間違いから学びましょう。 PCBプロジェクトを台無しにする最も一般的なエラーは次のとおりです:

1. 間違ったフットプリント

最も一般的な間違い。常にフットプリントの寸法を実際の部品のデータシートと照合して確認してください。ライブラリのデフォルトを盲目的に信頼しないでください。 1:1で印刷して紙に部品を置いてテストします。

2. グランドプレーンなし

GNDを個別のトレースとして配線すると、ノイズ、 EMI問題、信頼性の低い動作が発生します。常に少なくとも1つの層でグランドプレーンを使用してください。

3. 細い電源トレース

電源トレースは重要な電流を運び、適切にサイズ調整する必要があります。細すぎるトレースは加熱し、抵抗を追加し、潜在的に故障します。電源には最低0.5mmを使用してください。

4. デカップリングコンデンサの欠落

すべてのICは、電源ピンにできるだけ近くに配置された 100nFセラミックコンデンサが必要です。それらがないと、ノイズ、不安定性、ランダムな故障が発生します。

5. DRCエラーの無視

"たぶん大丈夫"は決して真実ではありません。クリアランス違反はショートを引き起こします。未接続のネットは接続の欠落を意味します。発注前にすべてのエラーを修正してください。

6. シルクスクリーンの確認なし

パッド上のシルクスクリーンテキストは製造時に削除されます。部品指定子は組み立てとデバッグ時に役立ちます —読みやすく正しく配置されていることを確認してください。

7. 部品が基板端に近すぎる

部品を基板端から少なくとも3mm離してください。製造業者は生産中のハンドリングのためにこのクリアランスが必要です。エッジマウントコネクタは例外です。

PCBの製造

中国の製造業者のおかげで、プロフェッショナルなPCBを手に入れることはこれまでになく安く簡単になりました。数ドルで1〜2週間でデスクに基板を置くことができます。

製造業者の選択

製造業者	価格(5枚)	リードタイム	最適な用途
JLCPCB	$2 + 送料	7-14日	最高の価値、EasyEDA統合
PCBWay	$5 + 送料	7-14日	良い品質、組み立てサービス
OSH Park	$5/平方インチ	2-3週間	米国ベース、紫色の基板
Seeed Fusion	$5 + 送料	7-14日	PCBA、フレキシブルPCB

製造仕様

発注時に、これらのパラメータを指定する必要があります:

初心者におすすめの仕様

層数: 2(ここから始める)
厚さ: 1.6mm(標準)
銅重量: 1oz (35μm)
ソルダーマスク: 緑(最安)
表面仕上げ: HASL鉛フリー(手はんだ用)
シルクスクリーン: 白
数量: 5(ほとんどの製造業者の最小)

プロのヒント:ほとんどの製造業者は生産前にGerberファイルをプレビューします。このプレビューを注意深く確認してください —受け取るものが正確に表示されます。

よくある質問

初心者がPCB設計にかかる時間は?

シンプルな基板(LED回路、ブレイクアウトボード)は、ワークフローを理解すれば1〜4時間かかります。 MCUを使った複雑な基板は1日以上かかることがあります。最初の基板は学習に時間がかかります —チュートリアル時間を含めて4〜8時間を見込んでください。

Mac/Linux/ChromebookでPCBを設計できますか?

はい! EasyEDAは最新のブラウザで動作するため、あらゆるプラットフォームで動作します。 KiCadにはネイティブのMacとLinuxビルドがあります。 AltiumにはWindowsが必要です。

最小注文数量は?

ほとんどの中国の製造業者(JLCPCB、PCBWay)は $2-5で5枚の基板の最小注文があります。 OSH Parkには最小がありません—平方インチあたりで支払います。プロトタイピングには、5枚の基板が実際に最適です: おそらく間違いを犯し、テスト用の予備が必要になります。

スルーホールまたはSMD部品を使用すべきですか?

SMD(表面実装)が現代の標準です—より小さく、安く、より多くの部品が利用可能です。0805サイズ(2mm x 1.2mm)は細い先端のアイロンで手はんだが簡単です。コネクタと機械的強度が必要な部品にはスルーホールを使用してください。

設計が動作するかどうかをどのように知りますか?

まず、可能であればブレッドボードでプロトタイプを作成します。次に:回路図が正しいことを確認し、ERCとDRCをゼロエラーで実行し、すべてのフットプリントをデータシートと照合して再確認し、他の人に設計をレビューしてもらいます。重要なプロジェクトの場合は、基板を1:1で紙に印刷し、実際の部品をその上に置いてください。

間違いを犯したらどうなりますか?

誰もが間違いを犯します—だからこそプロトタイプ基板は安いのです。小さなエラーは、多くの場合、ボッジワイヤで修正できます。間違ったフットプリントや欠落した接続には、新しいリビジョンが必要です。ソフトウェアでの修正($0)対ハードウェアでの修正($20+と時間)のコストが、レビューが非常に重要である理由です。

次のステップ

これでPCB設計の確固たる基礎ができました。学習を続ける方法は次のとおりです:

最初の基板を設計 – LEDフラッシャーやブレイクアウトボードのようなシンプルなものから始めましょう
EasyEDAチュートリアルに従う – 完全なEasyEDAチュートリアル2025 は、実際のプロジェクトをステップバイステップで説明します
基板を発注 – 自分のPCBを手にする感覚に勝るものはありません
間違いから学ぶ – 最初の基板はおそらく完璧ではありません、それで大丈夫です
反復して改善 – 各設計は何か新しいことを教えてくれます

AIで回路図を分析

SchemalyzerはAIを使用してEasyEDA回路図をレビューし、 PCBを発注する前にエラーを見つけて改善を提案します。 DRCが見逃すミスをキャッチします。

無料分析を試す料金を見る

推奨リソース

楽しい設計を! PCB設計コミュニティは温かく親切です —フォーラムで質問したり、フィードバックのために作品を共有することをためらわないでください。

要約