「PCBレイアウトエディター」で基板外形を描く

今回はPCBレイアウトエディターで設計する最初のステップ、基板外形の作図工程について解説します。

前回の記事「PCBレイアウトエディター」編集前セットアップを実施するで基板設計のセットアップを行いました。

次の工程では基板の形状を作図します。

プリント基板は通常、搭載する部品の数や組み込む筐体の形状等で基板の形状と配線できるエリアに制約を受けます

この制約を踏まえた基板外形を最初に描き、描かれたエリア内に部品をレイアウトしていく手順を守る事で作業の手戻りを減らして設計効率を向上させることが出来ます。

基板外形レイヤーに図形を描く

基板外形データの描き方について、描き方の例として大きく2種類の手法があります。

今回はこの2種類について説明します。

  • 基板外形レイヤーに図形ラインを直接描く方法
  • グラフィックスのインポート機能を利用して2D CADのデータを取り込む方法

最初は基板外形レイヤーに図形ラインを直接描く方法について順番に説明します。

エディターの右側に青い線で図形を示しているアイコンが4つあります。これらのメニューで図形データを描く事が出来、基板外形レイヤーに描かれた図形をKiCADは外形データとして処理します。

外形図以外のユーザーレイヤーに図形を描き、設計の補助図として利用する事も可能です。

「グリッド」を選択する

外形レイヤーに実際に図形を描く前に、編集用のグリッドを指定します。

画面上部にある「グリッド」の項目から、作業中はいつでも任意のグリッド間隔に切り替える事が出来ます。

通常、電子部品のレイアウトはインチ基準(mil)、基板外形やコネクタ配置にはメートル系(mm)で設計する事が大半だと思います。

KiCAD標準設定では、図形のポリゴンや配線、部品レイアウト等といった操作の大半がこのグリッドに吸着(スナップ)する様に動作します。

作業の工程によってその都度グリッドを切り替えて作業する様にしましょう。

基板外形線を作図する

作業の一例として「1辺50mm、コーナーに1mmの面取を行った外形データ」を作図してみます。

図形データの作図を進める上で、グリッド上の座標データが重要になります。

PCBレイアウトエディターの図面上では、グリッド原点(X軸=0、Y軸=0)の位置は図面枠の左上に設定されています。

エディター右側のアイコン下段には補助原点を配置するアイコンがあります。

グリッドの補助原点とドリルデータなどの補助原点をそれぞれ配置する事が出来ますが、補助原点は製造用データを生成する時に使用する為の機能で、編集中に配置しても作業用の座標位置には反映されませんので注意して下さい。

では、実際の手順を進めていきます。

尚、今回はあくまで1例として紹介しますので、もっと効率よい作図方法がある!と言う方は是非そのやり方を活用して下さい。

最初にレイヤーに基板外形レイヤーを選択し、グリッド間隔を作業しやすい値に変更します。今回は分かり易く1mmにしています。

次に「図形ラインを追加」から任意の直線を描きます。

始点をクリックして次の点をクリック、の繰り返しで多角形を描く事も出来ます。

描画を終了する時は始点、終点を左クリックした後で右クリックを押し、開いたメニューから「キャンセル」を選択します。

今回は四角形の図形を描きたいのですが、まずは直線を一本だけ描きます。斜めに1本でも大丈夫です。

描いた直線を選択し、メニューから「プロパティ」を選択します。

プロパティの始点、終点の数値を直接入力して長さ50mmの直線になる様調整します。

ここでは筆者が良く使っている手法として「X座標:100、Y座標:100」を作図の基準にする方法で進めていきます。

始点の座標は「X:100、Y:100」に、垂直のラインにしたいので終点を「X:100、Y:50(又は150)」に数値を変更します。

直接数値を入力する以外にも、簡単な計算式を入力する事も出来ます。

なおKiCADのレイアウトエディター画面では、X軸が右方向に+、左方向に-となり、Y軸が下方向に+、上方向に-の配置になります。

プロパティの値を調整して長さ50mmの直線が描けたら、図形のメニューから「複製」を実行し、複製された図形を元の直線に重ねて配置します。

次に、どちらの直線でも良いのでメニューを開き「数値を指定して移動」を選択し、X軸方向に50mm移動させます。

2本の直線が50mm間隔で並びました。

再び「図形ラインを追加」アイコンをクリックして、2本の直線の間をつなぐ直線を描きます。

図形を描く際、マウスのカーソルが描かれている図形の端点と合致すると〇に十字のターゲットマークが表示されますので、ここで左クリックすると新しく描いた図形ラインが繋がります。

これで1辺50mmの四角形が描けましたが、まだ四隅は直角の角になったままです。

1mmの面取りを行いたいのですが、残念ながら機械系CADの様にワンクリックで面取りする様なコマンドは、今のところKiCADには搭載されていません。

なので「図形のプロパティで調整」又は「図形の端点を直接ドラッグする」等の操作を行い図形を修整し、開いた図形間を新しい図形ラインで再び繋ぐ工程を四隅に行います。

全部の角に面取り処理を行い、基板外形の形状データが用意できました。

図形ラインが閉じられた状態=平面が成立している状態になれば、表示メニューの3Dビューワーで形状の3DCGを見る事が出来る様になります。

但し、図形ラインが重複している平面として形状が成立しない(図形ラインが繋がっていない所がある)といった場合にはエラーが生じ正常に3DCGを描画する事が出来ませんので注意しましょう。

基板外周にキープアウトエリアを設定する

描かれた図形データに対しては、基板セットアップのネットクラスで設定したクリアランスを確保する様にルート作図を行う事が出来る様になっています。

但し、基板の端面ぎりぎりまで導体層の配線を配置する様な設計は、実際に基板製造する工程で断線等破損の原因となりますので可能な限り避けたいところです。

配線レイアウト設計時に位置座標を意識しながら作業するのでは作業効率が良くないので、外形ライン周辺に配線禁止ゾーンを設定します。

「キープアウト(禁止)エリアを追加」アイコンをクリックし、禁止ゾーンを描く部位の始点をクリックします。

ゾーンの始点をクリックして開かれるプロパティを確認、設定してゾーンを描きます。

ゾーンは最初にクリックした始点に戻ってくるまでクリックを繰り返して形状を描いていきます。

ゾーンを描き終えると、禁止エリアがハッチング状態で表示されます。

このキープアウトエリアを避けて部品のレイアウトや配線を行うのですが、なぜか配線を行う際にキープアウトエリアの自動回避が機能しなくなる事があります。

「設定したからこれで大丈夫」と過信する事無く、視覚的に表示されているエリアは常に意識しながらレイアウトを進めていきましょう。

DXFファイルをインポートして基板外形データを読み込む

基板外形データを作図するもう一つの方法として、グラフィックスのインポート機能を利用して2D CADのデータを取り込む手順についてもご紹介します。

既に筐体の形状、コネクタ位置等の指示が決まっている場合等に機械系CADで描かれた寸法図から生成されたDXFデータを読み込む事で外形図や補助図面のデータとして利用する事が出来ます。

例えば

「同じ一辺が50mmの四角形でも角がR=1mmのフィレット加工、四隅の穴が開いていて、一部が長穴になっている」

こういった形状のデータについてはKiCADの図形描画機能でも作図できますが、おそらく機械系CADに慣れている人であれば、比較にならないレベルであっという間に描く事が出来ると思います。

2Dの図形データ(DXFデータ)が用意出来たら、PCBレイアウトエディターに読み込んでいきます。

PCBレイアウトエディターのファイルメニューから「インポート」-「グラフィックスをインポート」の順にクリックして、開かれたメニューの「参照」ボタンから用意されたDXFデータを選択します。

ファイルを選択したらウィンドウ下段のパラメーターインポートの欄を選択、設定します。

初期状態では「Dwgs.User」レイヤーに読み込まれる様に選択されていて、読み込んだ図形データはユーザー層の参考図として利用する事ができます。

参考図をトレスする等、基板外形レイヤーに詳細形状を描き直す事も可能です。

また、準備したDXFデータがすぐに基板外形図として利用できる形状になっていれば、グラフィックレイヤーの項目を変更して直接外形図レイヤーに読み込む事も可能です。

複雑な形状のデータを読み込んだ後は、忘れる前にキープアウトエリアの設定をしておきましょう。

基板外形の準備が出来たら、ネットリストを読み込んで部品のレイアウトを進めていきましょう。

今回読み込んだネットリストの部品点数から見ると、50mm角の基板サイズはどうやら大きすぎた様です。

自身で基板外形レイヤーに直接図形ラインを描く手法の場合は、あらかじめネットリストを読みこんで表示される部品の面積を参考にしながら描いていけば早い段階で適切なサイズの基板形状を決める事ができます。

KiCADのデータから生成したDXFファイルを機械系設計者に渡す事で、基板の設計の完成を待たずに筐体設計等を並行して進めてもらう、といった作業も可能になります。

ABOUT KiCAD MASTER

KiCADの達人
KiCAD歴15年程度。雑誌記事や教育用テキストの執筆経験等複数あり。私大電気電子工学科での指導とフリーランスエンジニアを兼業しながらFab施設の機器インストラクターや企業セミナー講師を歴任し、KiCADの普及と現代の働き方に対応した技術者育成に務める。