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KiCadで雑に基板を作るチュートリアル Ver6.x 予習版

soburi
March 06, 2021

KiCadで雑に基板を作るチュートリアル Ver6.x 予習版

Ver.6フライングチュートリアル!

KiCadで雑に基板を作って基板製造業サービスに
発注するためのチュートリアルです。
短めのスライドにする予定でしたが、
一通り必要なモノ入れたら結構なボリュームになりました。

soburi

March 06, 2021
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Transcript

  1.   KiCadで雑に基板を作る チュートリアル Tokita, Hiroshi Ver 5.99 2021/3/6 Ver 6.x

    予習版 以前のバージョンはこちらから https://www.slideshare.net/soburi/kicad-53622272
  2. 2   書いた人 • 某イベントUnix島で技術ネタサークルやってます – Twitter https://twitter.com/crs – GitHub

    https://github.com/soburi • Recent works – TWE-LiteをArduinoIDEで使う http://qiita.com/soburi/items/0b0aa3d0c4332a5e7a4c
  3. 3   本チュートリアルの対象・目的 • 対象 – KiCadの使い方を把握したい人 – Elecrow/FusionPCB/PCBGogoなどの 個人向けプリント基板製造サービスを利用したい人

    • 目的(基礎編) – KiCadの最低限必要な機能の使い方を理解する – KiCadで基板を作って製造サービスに発注する作業の流れを理解する • 目的(応用編) – 電子工作レベル(両面基板、表面実装なし程度)の 基板作成に必要なKiCadの機能を理解する • 本チュートリアルで扱わない事項 – 回路設計については本チュートリアルでは扱わない
  4. 4   目次 1. KiCadとは 2. KiCadを起動する 3. 回路図エディターで回路図を作る 4.

    回路図データとPCBエディターの連携 5. PCBエディターで基板を作る 6. 発注用データの出力 7. 発注する 8. KiCadのワークフロー 9. シンボルを作る 10. フットプリントを作る 11. 複雑な回路図を管理する 12. 配置・配線の効率化 13. 面付け 14. まとめ 基礎編 実践編
  5. 5   基礎編

  6. 6   KiCadとは • オープンソースのプリント基板CAD • 商用ソフトにありがちな、フリー版の機能制限がない • 現在CERNが積極的に開発を進めている •

    国内情報も充実 • ユーザーも増えてきたので、情報が集めやすい。
  7. 7   【追記】kicad.jp,安定のエゴサ力www • お墨付き、貰いました! – SlideShareにアップロード後、90分でkicad_jpに捕捉される – 通知tweet流さなかったんだが… –

    Version6追記: kicad.jp管理人さん、国内KiCad普及の黎明期には比類なきエゴサ能力で KiCad言及Tweetを遍く探し出し、KiCadの普及に大きく貢献されておりました。 お元気でしょうか…
  8. 8   KiCadを起動する • 最新バージョン 6.0 まだリリースされていません。(次頁参照) • https://kicad.org/download/ からダウンロード。

    • 特に考えずにインストーラーを実行する • メニューに登録されたアイコンから KiCadを起動する
  9. 9   nightly buildで人柱になる • KiCad Version6はまだ開発中。 現時点では開発者向けのnightly buildが使える。 •

    いわば人柱版。転んでも泣かない。 • リリース候補版(Release Candicate=rc)がそろそろ出るはず。 https://gitlab.com/kicad/code/kicad/-/milestones/8 2021年2月末の予定だったが、スケジュール遅延。本スライドも適宜アップデート予定。 • Windows https://kicad-downloads.s3.cern.ch/index.html?prefix=windows/nightly/ • MacOSX https://kicad-downloads.s3.cern.ch/index.html?prefix=osx/nightly/ • Linux (Ubuntuのaptリポジトリに登録) https://launchpad.net/~js-reynaud/+archive/ubuntu/kicad-dev-nightly 特別ページ: Ver6もリリース間近
  10. 10   なれる!コントリビューター #1 特別ページ: Ver6もリリース間近 • KiCadは「みんなで作る基板CAD」なので、OSS活動にも参加してみよう。 • ほっとくとスルーされる細かいバグも多いので、気づいたらバグ報告をしよう。

    • https://gitlab.com/kicad/code/kicad/-/issues からissueを作成して報告する。 • typo修正はコントリビューターの登竜門 # Description ( 概要 ) ( 必要ならスクショ貼って説明 ) # Step to reprocduce ( 再現手順 ) 1. … 2. … # KiCad Version ([ ヘルプ ]→ [KiCad について ]→[ バージョン情報をコピー ]) このような内容を書いて、 バグを報告する。 ヨーロッパの大陸側の人が多いので、 英語が下手なのは多少大目に 見てもらえる?!
  11. 11   なれる!コントリビューター #2 • まだまだメッセージの改善は継続中。 • メッセージが修正されると、表示が英文に戻る。(不定期に更新実施) • Weblateのサイトで簡単に翻訳を修正できる。(ソース履歴にも名が残る!)

    • https://hosted.weblate.org/projects/kicad/master-source/ja/ 特別ページ: Ver6もリリース間近 訳文を書いて、「保存」するだけ! 自身のないひとは提案から はじめよう。
  12. 12   新規プロジェクト • 初回の起動の場合、設定パスの確認画 面が表示されるので、「デフォルト設定を 使って開始する」を選択。 • 開いたウィンドウの[ファイル]→[新規プロ ジェクト...]を選択して、プロジェクトの

    ファイルを作成。 • データを保存するフォルダーを選択して 基板の作成を開始する
  13. 13   プロジェクト マネージャー画面 • KiCadは電子設計自動化(EDA)ソフト のセットになっている • よく使うのは回路図エディターと PCBエディター(PCB=Printed

    Circuit Board, プリント基板のこと) • 他のツールは特に触らなくても何とかなる • まずは回路図エディターを立ち上げる • 一応回路図エディターにはEEschema、 PCBエディターにはPcbnewという名前がついている。 最近はこの名前使わずに基板/PCBエディターで呼ぶことが多いが、 時々この名前が出てくる。
  14. 14   一番シンプルな回路を作る • LEDの足で電池挟んだアレ • 部品は LEDとボタン電池だけ • これだと基板にならないから

    電池BOXとLEDを直結 • こんな感じに • (賢明な読者諸賢は既にお気づきかと思われるが、電流制限抵抗がなくて「雑な」回路。 シツレイなのは承知の上であるが、問題の単純化のためご寛恕願う次第である。)
  15. 15   回路図エディターで回路図を作る • 右側のツールボックスに基本機能が入っている • 最低限のサバイバルナイフは2つ – 部品を選択する[シンボルを追加] –

    部品同士を配線する[ワイヤーを追加] • 正しく回路図が描けたら作業完了
  16. 16   部品の配置 • [シンボルを追加]を選択し、回路図シートを クリックすると、 [シンボルの選択] のダイアログが 表示される。 •

    [フィルター]に探す 部品名を打ち込む • ダイアログから使いたい部品 (LEDと電池)を選択して、 回路図シート上に配置する
  17. 17   KiCadの部品ライブラリー • よく使うもの – Device 基本的なデバイス (ディスクリート部品) •

    C=コンデンサー、D=ダイオード、R=抵抗、INDUCTOR=コイル – Connector, Connector_Generic コネクター類 – Transistor_BJT バイポーラ・トランジスタ(2SC~など) • 汎用的な部品はDeviceのライブラリーを探す • ICは型番やキーワードで絞り込むと見つかる
  18. 18   部品の配置 • 部品を右クリックすると、部品の移動、回転、反転ができる。 • 配線しやすいよう、回路が理解しやすいように配置する • ホットキーのM(移動),R(回転)は覚えておくと便利。

  19. 19   配線する • [配線]を選択して、回路図シート上で配線を行う • 部品の足と足とを線でつなぐ

  20. 20   ジャンクション • 配線が交差しているところはつながっていない。 [ジャンクション]で接続する • T字状に配線する場合、自動的に ジャンクションで接続される つながってい

    ない つながってい る
  21. 21   作例 #1 • シンプルに電池とLEDをつなぐ

  22. 22   電源シンボル • 回路の電源やGNDを示す記号(電源シンボル)は、 [電源を追加]で配置できる。 • 電源シンボルは部品ではなく、 電源、GNDを示すだけ。 •

    この回路だと電池の マイナス側をGND、プラス側を 電源とする。 こちらをGND こちらを電源
  23. 23   作例 #2 • 電池のマイナス側にGNDの電源シンボルを接続 • プラス側に「電池の電源」を 示す電源シンボルの +BATTを接続

  24. 24   回路図のエラーチェック #1 • 回路が描けたら、エラーチェック機能(ERC:Electrical Rule Ch ecker)で不具合をチェックする •

    まず、回路図上のシンボルに番号を割り振る [回路図のアノテーション]を実行 • そのまま[アノテーション]の ボタンを押せばOK. • シンボルの番号の’?’ に数字が入る。 押す
  25. 25   回路図のエラーチェック #2 • 続けて[エレクトリカル ルール チェック(ERC)]で 回路図のエラーチェックを行う •

    設定はそのまま、 ダイアログの[ERCを実行]のボタンを押す。 • エラーが出なければOK. • 後述のPCBエディターと情報を対応づける ので、アノテーションをクリアしてはいけない 0ならOK 極力減らす
  26. 26   ERCエラーの対処方法 #1 ピン未接続 • 単純に配線されていない • 接続が無い場合は [空き端子フラグ]

    で、配線しないことを 明示する NG
  27. 27   ERCエラーの対処方法 #2 電源入力ピンが電源出力ピンによって駆動されていな い • KiCadでは回路の電源は電源シンボルの [PWR_FLAG]で明示的に示さなければならない。 •

    「回路の電源」とは、電池やACアダプタなどから 電源供給を受ける配線 と考えると良い。 • [PWR_FLAG]を電源とGNDに接続する ことで解消する NG
  28. 28   ERCエラーの対処方法 #3 入力ピンが出力ピンによって駆動されていない ピンのタイプ ~ と ~ が接続されています

    • 出力と出力など、 接続できない端子を 接続している。 • 単純に間違いなので 配線を修正する • (右は説明のための作為的な例) NG Q: 出力 DIS: 入力なので ERC 的には OK DIS: 入力、 THR: 入力なので 入力元がない。
  29. 29   作例 #3 • GNDと+BATTにそれぞれPWR_FLAGを接続して、 電源であることを明示してERCのエラーを解消した

  30. 30   回路図データとPCBエディターの連携 • 回路図エディターとPCBエディターはそれぞれ独立したアプリだが、 KiCadの”プロジェクト”としてデータを共有して、相互に連携している • PCBエディターは作成した回路図から情報を引き継いで、 基板に反映する –

    回路図の部品と基板に置かれるフットプリントの対応情報 – 部品同士の結線情報 • 回路図の部品(シンボル)に、基板エディターで使う”フットプリント”を 割り当てる。
  31. 31   部品とフットプリントの割り当て • KiCadでは、部品は、回路図での電気的な意味を示す回路図記号(シン ボル)と、基板上での物理的な形状を分離して扱っている • そのため、基板をレイアウトをはじめる前に回路図上のシンボルに、部品の 形状(フットプリント)を関連付ける必要がある。 •

    この作業が[フットプリントの割り当て] • 回路図上の記号に対応する部品のデータを対応づける。 • 困ったらピンヘッダあたりを割り当てておくと、とりあえず基板は作れる。 (これだと部品が刺さらないので、フットプリントを作成する。後述。)
  32. 32   フットプリントを割り当てる • 中央のリストの部品に対して、右のリストからフットプリントを割り当てる。 • フットプリント ビューアーの表示で縮尺、部品のサイズに注意 LED •

    フットプリントは数が多くて探すのが大変。フィルターをうまく使う。 – 足の数指定は基本的に有効にしておく – シンボルの持つキーワードで絞りこみ。 使えそうなものは、これでだいたい見つかる。 – これでも駄目なら、フィルターを外して文字列で検索 – 最後は、左のライブラリー一覧を一つ一つ漁る(面倒!)
  33. 33   作例 #4 • 標準的な5mmのLEDを指定 • 電源は電池ボックスからのリード線を接続するため、 2pinのピンヘッダを指定 (ピンヘッダを実装せずに配線用の穴として使う)

  34. 34   回路図の完成 • フットプリントの割り当てが終わったら、 回路図エディターでの作業は終了。 • ERCは問題ないよね? • 回路図ができたら、この回路図をもとにして

    基板の作成を始める • 回路図エディターの[PCBエディターに切り替え]で PCBエディターを起動する
  35. 35   基板の作成 • プリント基板の配線(パターン)を作る • サバイバルナイフは1つだけ。 – 部品同士を配線する [単線(シングル)をインタラクティブ配線]

    • 回路図で書いたすべての結線がプリント基板上で 配線できたら作業完了
  36. 36   回路図のデータの取り込み • まず、[回路図から基板を更新]を実行 • ダイアログの設定は変えずに[基板を更新]を実行 • シンボルに割り当てた部品(フットプリント)が現れる。 •

    クリックして、とりあえずどこかに置く。
  37. 37   フットプリントを配置する • 部品を右クリックして、適当な場所に移動する。 • 部品の配置は、とにかく自分で考えるしかない。 • 考え方の一例 –

    配置に制約がある部品を先に並べる (スイッチ、コネクタなど操作上の制約、筐体サイズの制約) – 配線が集まるICなどあれば、できるだけ中央に置く – 平行した配線になるところは並べる
  38. 38   配線する • 未配線の端子にラッツネスト(白い線)が表示される • 配線して端子がつながるとラッツネストが消える • [単線(シングル)をインタラクティブ配線]で 線を引いて全てのラッツネストが

    消えたら作業完了
  39. 39   ビアを使った配線 • 描いている配線はプリント基板のパターンなので、 同一レイヤー上で交差できない • 交差するところは、ビア(穴)を作って配線を裏に通す • 配線中に右クリックして、コンテクストメニューから

    [貫通ビアの配置]を実行する
  40. 40   基板のサイズを決める • Pcbnewのレイヤー選択リストから [Edge.Cuts]を選択する • [線を描画]で、長方形の枠を描く。 • この長方形が切り出される基板のサイズになる。

    • このレイヤーは、「基板外形レイヤー」とか 「メカニカルレイヤー」とも 呼ばれる
  41. 41   GND ベタ #1 • これをやると「まともな基板」っぽく見える。 (本来はノイズ対策) • [塗り潰しゾーンの追加]を実行して、

    基板の外枠と同じサイズの塗りつぶし領域を作る • ダイアログのレイヤーは[F.Cu]と[B.Cu]をチェック、 [ネット]は[GND]を指定する。 (両面にGNDベタを作る設定) • GND以外はあまり使わない
  42. 42   GND ベタ #2 • ゾーンを作ったら、作成したゾーンを選択、 右クリックで[全て塗り潰し]を実行する。 • これで、ゾーン中の配線にあわせて塗りつぶしが行われる。

    • 配線変えたら、 [塗り潰しを全て削除]→[全て塗り潰し] を再実行すること。
  43. 43   作例 #5 • ビアを使って表面に配線を通して交差させる • 両面にGNDベタを設定

  44. 44   基板デザインのチェック • 基板製造サービスの設備によって、パターンの密度が高 いと製造ができない場合がある。 • 製造可能な配線の間隔、ドリル穴のサイズをチェック 用データとして設定して、パターンに不備がないかを チェックする。

    • 発注の前には必ずチェックする。
  45. 45   基板セットアップ #1 制約 • ツールバーの[基板セットアップ]を選択 • [デザインルール]→[制約]でドリル穴や 配線の製造可能な最小値を設定する

    • マイクロビアは使わないので設定不要(値は何でもいい) • Elecrow/FusionPCB/PCBgogo向け (最大公約数的かつ余裕ある設定) – 最小 配線幅/クリアランス/アニュラー幅 0.2mm [0.1524mm(6mil)以上] – 最小ビア径 0.8mm [ビアドリル径+ アニュラー幅 x 2=0.7mm] – 導体-穴クリアランス 0.4 mm – 導体-基板端クリアランス 0.7 mm – 最小スルーホール径 0.3 mm – 穴-穴 クリアランス 0.5 mm
  46. 46   基板セットアップ #2 default値 • 実際の配線に使う値を[ネットクラス]→[ネットクラス]のdefaultに設定する。 • クリアランス/配線幅は最小6mil、ドリル穴は最小3mm が格安基板製造の標準的なスペック。

    • uViaサイズ、uVia穴は今回使わないので、ビア サイズ、ビア穴と同じ値に。 • DP幅、DPギャップも今回使わないので、配線幅、クリアランスと同じ値に。 • これはかなりマージン持たせた値 • 表面実装ICを使うような場合はもっと細くする。 • 大電流を流すような場合はもっと太くする。 • uVia=micro via、DP=Differential Pair(差動ペア)
  47. 47   DRCのエラーの対処方法 • DRCのエラーのほとんどは、 – 未配線 – 配線が~に近すぎる •

    頑張って引き直す。 • 基本は配線する前に制約を設定する – 配線のエラーは配線時にチェックされる。 – エラーになるのはだいたい配線後にルールを変えた場合。
  48. 48   発注用データの出力 • 基板製造サービスに渡す最終生成物の ガーバーファイル、ドリルファイルを出力する • 基板製造サービスのデータ仕様に合わせて ファイルを修正が必要。 •

    確認が終わったら発注する。
  49. 49   実装ファイルの原点の設定 • [ドリル/配置ファイル用の原点を設定]で 基板外形の左下に原点を置く

  50. 50   • [プロット...]で製造ファイル出力の ダイアログを開く。 • [出力フォーマット]はガーバー、 [出力ディレクトリー]を適当に指定する • [レイヤー]はF.Cu,

    B.Cu, F.SilkScreen, B.SilkS creen, F.Mask, B.Mask, Edge.Cutsの 7つを選択 • [ドリル/配置ファイルの原点を仕様]、 [Protelの拡張子を使用]、 [シルクをレジストで抜く]をチェック • ここがDRCを実行する最後のチャンス • 設定したら[製造ファイル出力]を実行 • ドリルのデータは別に作る必要があるので、 続けて[ドリルファイルの生成]を実行 ガーバーファイルの出力
  51. 51   ドリルファイルの出力 • [製造ファイルの出力]のときと同じディレクトリを指定 • ドリル原点も[製造ファイルの出力]の設定と合わせる • FusionPCBの場合は [PTHとNPTHを一つの

    ファイルにマージ]をチェック • 製造サービスからの指示が ある場合はマップファイルも作る
  52. 52   基板製造サービスの仕様に合わせる • Elecrow/FusionPCB/PCBGogoのいずれも 以下の手順 1. 拡張子を除いたファイル名本体をすべて同じにする。 (e.g. sample-B_Cu.gbl

    → sample.gbl) 2. ドリルファイルの拡張子.driを.txtに変更する 3. zipで固める • 基板製造サービスの仕様に変更があるかもしれないので、 発注の際に確認すること
  53. 53   ガーバーファイルを確認する • KiCadのガーバー ビューアーよりもgerbv [ http://gerbv.geda-project.org/ ]がおすすめ –

    色がデフォルトで中間色なので見やすい – レイヤーを重ねて印刷できる – レイヤーごとに透明度が設定できる Ver6追記: Gerber Viewerも半 透明表示や中間色になって、か なり改善されたが、レイヤーの入れ 替えなど、まだちょっと面倒。
  54. 54   確認のポイント • ERC/DRCでチェックできないところを見る – 間違ったフットプリントを使っていないか? – 部品がぶつかるような高密度パターン描いていない? –

    ベタ塗りつぶしはちゃんと更新されているか? – シルクの情報はわかりやすいか? – ハンダ付け作業はやりやすいか? • 原寸で印刷して、実物の部品を刺して確認する • 確認を怠るものは地獄に堕ちる
  55. 55   画面で確認 • [File]→[Open layer(s)...]で全てのGerberファイルとド リルファイルを開く • 実際のプリント基板の構造に合わせて並べて 不備をチェックする

    – ベタ塗りの更新忘れでパターンが くっついていないか? – シルクの情報はわかりやすいか? 表面 裏面 シルク印刷 ハンダ マスク(レジスト) 銅箔 銅箔 ハンダ マスク(レジスト) シルク印刷
  56. 56   印刷して確認 • 表面のレイヤーとドリル穴を選択して原寸で印刷する • 印刷したパターンのドリル穴に針で穴を開けて、 実際に部品を挿してみる – 部品がくっつきすぎていないか?

    – 作業のしやすさも考える – KiCadの3Dビューワーでは気づかない問題もある
  57. 57   ネットプリントで原寸印刷 • [Microsoft Print to PDF]の仮想プリンタで 印刷するとPDFファイルができる •

    PDFファイルをセブンイレブンのネットプリント (https://www.printing.ne.jp/index_p.html) で原寸印刷する – [ちょっと小さめ]にしない – セブンイレブンのマルチコピー機で印刷(1枚20円)
  58. 58   作例 #6 • 表面のレイヤーと裏面のレイヤーをそれぞれ重ねて表示

  59. 59   発注する • ElecrowもFusionPCBもPCBgogoも 「ガーバーファイルとドリルファイルを ZIPで固めてWebフォームから送るだけ」 で、発注処理が完了する • 発注した直後に不具合が見つかる(経験則)

    →深夜の勢いで発注せず、冷静になってからオーダーする • 改めて最後に「DRC忘れてないか?」 • まずは君が落ち着け。
  60. 60   ガーバーデータ入稿時のファイル名仕様 Elecrow FusionPCB PCBGogo 表面導体層 [基板名].GTL [基板名].GTL (KiCad出力そのままでOK)

    表面ハンダマスク(レジスト) [基板名].GTS [基板名].GTS (KiCad出力そのままでOK) 表面シルクスクリーン [基板名].GTO [基板名].GTO (KiCad出力そのままでOK) 裏面導体層 [基板名].GBL [基板名].GBL (KiCad出力そのままでOK) 裏面ハンダマスク(レジスト) [基板名].GBS [基板名].GBS (KiCad出力そのままでOK) 裏面シルクスクリーン [基板名].GBO [基板名].GBO (KiCad出力そのままでOK) 外形レイヤー [基板名].GML [基板名].GML/GKO (KiCad出力そのままでOK) ドリル(PTH, メッキ穴) [基板名].TXT [基板名].TXT/DRL (KiCad出力そのままでOK) ドリル(NPTH, メッキなし穴) [基板名]-NPTH.txt - (KiCad出力そのままでOK) • 各社の仕様にあわせてファイル名を変更。 • zipに固めて、Webのフォームから送信する。 • 実際には、ファイル名が違ってても何とかなる感じだが、 とりあえず仕様にあわせてデータを作成する。 • FusionPCBはPTH, NPTHをマージしたデータを受け付ける ので注意。
  61. 61   Elecrowの場合 2層, 100x100(mm) 5枚~が最安コース 基本的に1 (面付けしない) 標準的でない厚さは高くなる 紫、マット系は高い

    デフォルトのままで 配送先を選択 表面実装に使うメタルマスク
  62. 62   FusionPCBの場合 FR-4, 2層, 100x100(mm) 10枚~が最安コース 基本的に1 (面付けしない) 標準的でない厚さは高くなる

    6mil/0.3mmが基本。 細くすると高くなる。 デフォルトのままで。 やらない。
  63. 63   PCBGogoの場合 2層, 100x100(mm) 5枚~が最安コース 板材はFR-4(ガラスエポキシ) FR4-TGは耐熱温度 デフォルトのままで。 特殊なやつを使うと高くなる。

    6mil/0.3mmが基本。 細くすると高くなる。 やらない。
  64. 64   発送 • 安い発送だと郵便扱いで2週間程度 • 深圳から出てくるので、国際郵便のtrackingを見ながら気長に待つ • 郵便だと時間外窓口が使えるので受け取りやすい •

    ANA系のOCSは安くて早い。 • FedEx, DHLならPUDOステーションを使うのも便利 • UPSはヤマト運輸さんに引き継いでもらうと受け取りやすい • Good Luck!
  65. 65   実践編

  66. 66   KiCad のワークフロー • KiCadで回路図・基板デザインを修正するときは、原則、回路図まで 戻って修正してPCBエディターに反映する、という流れで作業を行う • PCBエディターで回路図にないフットプリントを置くのは避ける。 (回路図で基板を更新するときに無くなる。置くならロックする。)

    • アノテーションの対応付けが崩れると、このサイクルが回らなくなるので 消してはいけない フットプリントの 割り当て 回路図 結線情報 基板デザイン 製造ファイル 回路図まで戻って修正
  67. 67   LED 明滅回路 • キャンドル IC CDT-3460-20 で LED

    が明滅する回路 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08752/ • 電源はボタン電池を使用し、 電子ホルダー CH26-2032LF を基板に実装する http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-08963/ • 作例ではデータシートの例で 簡単な駆動回路を作る • この作例を通じて、実際の基板作成で 使う KiCad の機能を見ていく こんな基板を作る
  68. 68   シンボル エディター • KiCadのライブラリーには多数の部 品のデータが収録されているが、 もちろん無いものもある。 • シンボル

    エディターを使って、 ライブラリーにない新しいシンボルを 作る手順を紹介する
  69. 69   シンボル ライブラリーを作る • [ファイル]→[新規ライブラリー...]で シンボルを格納するライブラリーを作成。 • ライブラリー テーブルは[プロジェクト]を選択。

    • プロジェクトのフォルダーの中に、 適当な名前でファイルを作る。 • 画面左のライブラリー一覧に 作成したライブラリーが追加される。 (アルファベット順に表示)
  70. 70   シンボルを作る #1 • 一覧からライブラリー名を左クリックして、 [新規シンボル...]でシンボルを作成する。 • ダイアログは[シンボル名]だけ入力。 •

    他の項目は あとで設定できる。
  71. 71   シンボルを作る #2 • [ピンを追加]でピンを適当に配置。(場所は後で直す) • データシートにある全てのピンの ピン番号とピン名を入力。 •

    エレクトリック タイプ は[フリー]にしておく。 (エラーが出なくなる)
  72. 72   シンボルを作る #3 • [矩形の追加]で、適当はハコを描いて、 プロパティで[ボディ背景色で塗り潰し] • ハコとピンと文字の位置を調整して、 良い感じに整えて完成。

    • 保存はライブラリー毎。 複数のシンボルを同時に 作業してるときは注意。 作成途中
  73. 73   作例 #7 • キャンドル IC CDT3460-02 の シンボルを作成

    • CDT3460-02 のデータシートを ストレートに落とし込んだ
  74. 74   フットプリント ライブラリー • シンボルと同様、フットプリントにつ いてもKiCad自体に含まれていな い部品については自分で作成する 必要がある •

    フットプリント エディターで 新しい部品のフットプリントを 作成する手順を紹介する
  75. 75   フットプリント ライブラリーを作る • シンボル ライブラリーの時と同じ手順。 • 同様に[ファイル]→[新規ライブラリー...]を実行 •

    同様にライブラリー テーブルは[プロジェクト]を選択。 • 同様にプロジェクトのフォルダーの中に 適当な名前でライブラリーを作成。 • フットプリント ライブラリーの場合は [ライブラリー名].prettyのフォルダーが作られる • 同様に画面左のライブラリー一覧に作成したライブラリーが追加される。
  76. 76   フットプリントを作る #1 • 端子となる[パッド]を配置する • 普通のスルーホールを置くのであれば、 デフォルト設定でOK. •

    データシートの寸法に合わせて正確に配置する • インチ/メートルの違いに注意する • 1番ピンを明示するような場合には 角型のパッドに設定する
  77. 77   フットプリントを作る #2 • 部品の形状や向き、極性が わかるように、シルク印刷を描く • 配置したときのサイズを意識して描くと 部品の衝突防止に役立つ

    • 特に電気的な意味はないので、 わかりやすいように「お絵かき」する
  78. 78   フットプリントを作る #3 • パッドの位置さえ合っていれば、あとはただの飾り。 • まずは正確にパッドの位置を決める。 • とはいえ、シルクスクリーンの

    印刷情報は実装ミスの軽減に 役に立つ。 • はじめはハコで十分、 少しずつ丁寧に仕上げてく。 作成途中
  79. 79   作例 #8 • CR2032電池ホルダー CH26-2032LFのフットプリント – プラスとマイナスの2つのスルーホールを作成 –

    電池のコンポーネントに合わせて1がプラス,2がマイナス – マイナス(GND)を角型のランドにした – シルク印刷で部品の形状を 原寸通り表示している – 左右に位置固定用のポッチがあるので 機構穴を開ける。
  80. 80   複雑な回路を管理する • ある程度の規模の回路図では、大まかな機能を構成 する部分ごと分割して回路図を描く • 分割したそれぞれの部分の間は線をつなげて描かない 切れた線に接続先を記載して示す •

    [ラベル]を使って、部分ごとに回路図を分けて描く
  81. 81   単純なラベル • 同じ名前の[ラベル]がついている配線は互い につながっているものとして扱われる。 • ラベルの接続先は複数あってもよい • 配線を右クリックして、

    コンテクスト・メニューから[ラベルの追加] ができるので、 ラベル名を入力する 同じ 同じ 同じ
  82. 82   シートの階層化 • KiCadでは、回路の一部を別シートに分割する 「シートの階層化」が行える • 「電源部」のような回路を一部をモジュール化して、 分割した回路図として作成できる。 •

    単純に「回路図を分ける」ではなくて、論理的な 「モジュールに分割」する機能 • モジュールごと、まるっとコピペして再利用もできる。 Advanced topic
  83. 83   階層化シートの作成 • [階層シート]を選択し、回路図シート上で 枠線を引くと階層シートを作成する。 • [シートのプロパティ]でサブの階層シートのファイル名を指定。 • シートの枠線を右クリックすると

    [シートに入る]の項目が現れるので、 選択するとサブの階層シートに 表示が切り替わる。 (もしくは枠内をダブルクリック) • サブの階層シートで右クリックして、 [シートから抜ける]項目を 選択すると元のシート(親シート)に戻る Advanced topic
  84. 84   階層ラベル • 階層シートから、上位の階層シートに見せる端子が[階層ラベル] • ラベルというよりは「インターフェース」として捉えた方がよい。 • サブの階層で[階層ラベルを追加]を行って、配置する •

    上位の階層シートに戻って、[シートピンのインポート]を 選択して階層シートの枠内をクリックすると、 サブの階層で配置した[階層ラベル]に対応する シートピンが枠線内に現れる • シートピンを介してサブの 階層シートと接続する Advanced topic 階層ラベル シートピン
  85. 85   グローバル ラベル • 全ての階層シートで共有されるラベルが [グローバル ラベル] • 階層シートの概念が理解できれば

    自ずと理解できるはず • 階層シートを使わないなら必要ない Advanced topic
  86. 86   作例 #9 • ラベルを使って電源回路部とLED点灯部を分けて(多少)わかりやすく。 • LEDは調整用の抵抗を入れられるようにした。 • On/Offできるようにスイッチをつけた。

  87. 87   FreeRoutingによる自動配線 • 規模が大きかったり基板自体が小さい場合だと、端子 間を衝突なく配線することが非常に難しくなる • 自動配線ツールのFreeRoutingを使うと 多少無茶なレイアウトで面倒な配線でも、 自動で配線をやってくれる

    Advanced topic
  88. 88   FreeRoutingで自動配線する #1 • 配布元からバイナリをダウンロード、インストールする。 – https://github.com/freerouting/freerouting/releases • KiCadとは基板データのエクスポート(.dsn)と、

    自動配線の出力ファイル(.ses)のインポートで連携する • 配線と塗りつぶしゾーンを一旦すべて削除する – 既に配線されているところは保持される • [ファイル]→[エクスポート]→[Specctra DSN...]で FreeRoutingが使う.dsnファイルを出力する。 Advanced topic
  89. 89   FreeRoutingで自動配線する #2 • FreeRoutingを起動して、エクスポートした.dsnファイル を開く。[AutoRouter]を押すと自動配線が始まる。 • (ここで、過去に自動配線を実施していた場合にはrulesファイルの 処置を選択するダイアログが出るかもしれない。その場合、Noを選択)

    Advanced topic
  90. 90   FreeRoutingで自動配線する #3 • 自動配線が完了したら、[File]→ [Export Specctra Session File]で、

    .sesファイルを出力する (同一ディレクトリに出力される) • KiCadに戻って、[ファイル]→[インポート]→ [Specctra セッション...]で .sesファイルを取り込む • 取り込んだら、自動配線の 結果が反映されるので、とりあえずDRCを実行 Advanced topic
  91. 91   作例 #10 • FreeRoutingで自動配線させた • 基板データとしてはこれで完成 配線前 FreeRoutingの

    自動配線結果 自動配線を 反映 GNDベタを 入れる ガーバーデータ (表・裏)
  92. 92   面付け • 小さなサイズの基板の場合、発注するサイズの中で複数 枚の基板が収まる場合がある • 複数枚基板を並べてレイアウトすることを「面付け」という (元々の語義は製本の工程で、裁断前の大きな紙に本の 体裁となるようページを並べる作業が「面付け」)

    • 基板を分割する溝(Vカット)を作るための追加料金が かかる場合が多いが、枚数を増やすよりコスト削減になる Advanced topic
  93. 93   面付けした基板レイアウトの作成 • スタートメニューから Pcbnew を直接立ち上げる • [ ファイル

    ]→[ 基板の追加 ] で、 作成したボードのデータ (~.kicad_pcb) を読み込む • 面付けする枚数分読み込みを繰り返して、配置する ( 要は「コピペ」。 ) • 外形レイヤの線を削除してボードの形状を作り直す • V カットの線を外形レイヤに引く • ガーバーファイルの出力は通常の基板と同様に行う • 回路図データとは関連づかない基板になるので、 別のディレクトリに置いた方が管理しやすいかもしれない • V カットに関する製造サービスの仕様を良く確認する Advanced topic
  94. 94   作例 #11 • 10cm × 10cm から 8

    枚基板が取れるように面付け Advanced topic
  95. 95   まとめ • ここまでの内容で電子工作で使う程度の回路であれば 基板製造サービスに発注することが可能なはず • このチュートリアル自体は結構なボリュームがあるが、 読むより実際使って慣れた方が早い •

    KiCad の癖やハマる箇所についてはそれぞれ注釈して いるので、参考にしていただければ幸い
  96. 96   おさらい #1 • EEschema の基本的な使い方 – シンボルの配置・配線 –

    ERC のエラーチェック – フットプリントの関連付け • Pcbnew の基本的な使い方 – 回路図の反映 – 配線 – DRC のエラーチェック – 製造ファイルの出力 • 製造サービスへの発注 – ちゃんと確認したか?
  97. 97   おさらい #2 • ワークフロー – アノテーションを消さずに回路図作成→基板レイアウトのサイクルを繰り返す • シンボル、フットプリントの作成

    – 難しくはないが、保存先の「現在のライブラリ」を確認する • ラベルによる回路図の分割 – ラベルを使って、ブロックごとに分けて回路図を描く。より大規模な回路は「階層化」する • FreeRoutingによる自動配線 – .dsnファイルと.sesファイルをエクスポート/インポートして外部ツールで自動配線を行う • 面付け – Pcbnewを個別で立ち上げて基板を「コピペ」する