2019/12/25
KiCad5対応の記事を公開しました。
http://blog.handen.net/archives/21338893.html
一旦目次にリンクしますので読みたいページを選択してください。
前回までは回路図を描く方法を紹介してきましたが、今回からはついにプリント基板を描くソフトウェアPcbnewを紹介していきたいと思います。このPcbnewがKiCadを使うメリットが最も生きる個所と言えるでしょう。主なメリットを箇条書きで紹介したいと思います。
・製作中の基板の完成イメージの3Dビューが見られるのでモチベーションが保ちやすいほか、部品の干渉対策やデザイン等にこだわることができる。
・回路図で接続していない個所を誤って接続することや、回路図で接続した所を接続し忘れることがない（エラーが出る）
・配線を始めると接続先がハイライト表示されて配線をしやすい
・基板製造会社のデザインルールを設定すれば、デザインルールに違反する配線ができない
・部品を移動するなどでデザインルールに違反する箇所が出た場合でもDRCを通すことで問題個所を発見できる。
・押しのけ配線などの便利な配線機能がある。
・自動配線が使用可能
ざっとこんな感じで便利な機能がたくさん搭載されています。
便利機能の紹介はこの程度にしておいて実際にプリント基板を作っていきましょう。
今回は図の↑3「Pcbnew」を開きます。
起動するとこのような黒い画面が表示されます。今回は紹介するメニューが非常に多いのでツールバーを3つに分けて機能を紹介します。
まずは上部のメニューから
図3
↓1:ページ設定 プリント基板エディタの全体のサイズを設定します。プリント基板でA4を超えることはまずないと思うので、基本的にはそのままで大丈夫です。
↓2:プロット プリント基板製造会社に送るデータを生成する機能です。
↓3:現在のスクリーンを再描画 フットプリントのデータを変えたときなどに表示をすぐに反映させる機能です。基本的には自動で反映されるので使うことはないと思います。
↓4:スクリーンに合わせてボードをズーム 拡大しすぎたときや縮小しすぎて現在の場所がわからなくなった時に拡大率を初期の状態に戻す機能です。
↓5:現在の基板からコンポーネントとテキストを検索 基板上のパーツやテキストを検索する機能です。
↓6:ネットリストの読み込み 回路図エディタで出力したネットリストを読み込む機能です。
↓7:デザインルールチェックの実行 設計した基板がデザインルールに反していないかを確認する機能です。
↓8:レイヤー選択 基板の表裏の配線や基板印刷などのレイヤーを切り替える機能です。
↓9:フットプリントモード フットプリントを自動で展開、配置する機能を有効にするボタンです。
↓10:配線モード 自動配線を有効にする機能です。あんまり使わない機能です。
↓11:外部ルータFreerouterとのデータ交換 外部の自動配線ツールとデータを交換する機能です。
↓12:Pyhonスクリプトコンソールの表示/非表示 スクリプトを実行するためのコンソールの表示非表示を切り替える機能です。ここではスクリプトについては紹介しません。
次に左側のメニューです。ここは主に表示関連のメニューが多いです。
図4
1:デザインルールチェックを無効(有効)化 デザインルールに違反した配線を引くことできなくするリアルタイムDRCの機能の有効無効を切り替えるボタンです。理由がない限り使うことはありません。通常はこのDRCを有効状態(画像のように選択されていない状態)にします。
2:グリッドを非表示(表示) 画面のグリッドの表示非表示を切り替える機能です。グリッドがない状態は作業しにくいので通常は有効にしておきます。
3:mm(inch)単位 表示の単位を切り替える機能です。日本では基本的にmm単位で使われるのでmm単位を選択しておきます。
4:ボードのラッツネストを非表示(表示) 配線が未接続のコンポーネントの接続先同士を結ぶ線（ラッツネスト）の表示非表示を切り替える機能です。
5:フットプリントのラッツネストを非表示(表示) コンポーネントの移動中のラッツネストの表示非表示を切り替える機能です。
6:古い配線の自動削除を無効(有効)化 配線を新たに引き直した際に、以前接続されていた古い配線を自動的に削除するかしないかの切り替えです。必要に応じて切り替えて使います。
7:ゾーンの塗りつぶしを表示（非表示、アウトラインで表示） ゾーン（ベタグランドなど基板のパターンを面で作る箇所）の表示の切り替えです。好みや必要に応じて使い分けます。
8:アウトライン(塗りつぶし)モードでパッドを表示 パッドの表示をアウトラインモード（パッドのふちのみ表示）と塗りつぶしモードで切り替える機能です。基本的に塗りつぶしモードの方が見やすいと思います。
9:アウトライン(塗りつぶし)モードでビアを表示 ビアの表示をアウトラインモード（パッドのふちのみ表示）と塗りつぶしモードで切り替える機能です。
10:アウトライン(塗りつぶし)モードで配線を表示 配線の表示をアウトラインモード（パッドのふちのみ表示）と塗りつぶしモードで切り替え機能です。塗りつぶしモードの方が見やすいです。
11:ハイコントラスト表示モード 画面の表示の色合いを変える機能です。基本的に使わないと思います。
続いて左側のメニューです。ここは基板の中身の編集系のメニューが主です。
図5
1:ネットをハイライト 任意のパッド・配線を選択すると配線で接続されるべきパッドがすべてハイライト(強調)表示される機能です。
2:フットプリントを追加 回路図に無い部品を追加する機能です。主に固定用の穴やロゴなどを追加するときに使います。
3:配線とビアを追加 部品のパッド同士を接続する配線を行う機能です。
4:塗りつぶしゾーンを追加 ベタグランドなど基板全体または一定の範囲を銅箔で覆いたいときに使います。
5:キープアウトエリアを追加 部品や配線を配置することを禁止するエリアを設定する機能です。
6:図形ライン(円、円弧)を追加 基板上に図形を配置するときや基板の外形線の描くときに使います。
7:銅体層または図形層にテキストを追加 基板上に文字を配置したいときに使用します。
8:アイテムを削除 フットプリントや配線を削除するときに使用します。
9:ドリルファイル、実装ファイルの原点を設定 業者に注文するデータの原点を設定する機能です。
10:グリッドの原点を設定 画面上のグリッドの原点を設定する機能です。
アイコンだけでもかなりの数がありましたが、このほかにもメニューから使う機能もあってかなり複雑です。ですので、プリント基板の作成の手順は複数回に分けて紹介していきたいと思います。
まずは基板の大きさを決めて、基板の外形線を描きます。
まずはレイヤーを「Edge.Cuts」に変更します。
画面右側の図のようなレイヤー表示部の「Edge.Cuts」(図←)の右側の青い▶が表示された箇所（図の↑と←の交点部）をクリックするとレイヤーが切り替わります。（ほかのレイヤーに切り替える場合も同様に各レイヤー名の左の空白（↑の列）をクリックします）（上部のメニューからの切り替え（図3の↓8）も可能）
続いて外形線を引いていきます。外形線は直線だけでなく、曲線などを組み合わせた複雑な形にすることは可能ですが、この段階では部品を配置際の目安として引く程度ですので、基本的に直線だけで大まかな寸法で描きます。（この時点では業者の規定サイズ（同じ価格で製造できる最大サイズ）に設定するのがよいと思います。）
まず、図5の←6の一番上のツール（図形ラインを追加）をクリックして直線を描くモードに切り替えます。カーソルが鉛筆に変わったことを確認して、外形線を引き始めたい場所でクリックして、外形線を引き始めます。その際、画面右下部のカーソル座標を覚えておきます。
カーソル座標を確認しながら、外形線の角にしたい場所でクリックします。すると外形線の一辺が作成されます。四角形のほかの辺も同様に描き、4辺すべてが描き終わる箇所（外形線の開始地点と同じ場所）でダブルクリックをして、外形線を確定させます。（ダブルクリックすると引いた線が確定される仕様なので、外形線の途中でダブルクリックをして一旦確定させて、再度終端地点から線を引くなど複数回に分けて描くことも可能です）
図のように黄色の線の四角形ができていれば、外形線は描けています。
次にデザインルールの設定を行います。基本的にKiCadで作成したデータは基板製造の業者に注文することが多いと思いますが、基板製造には最低限守らなくてはいけない設計ルールがあり、それをデザインルールといます。デザインルールには最低の配線幅や配線間隔、最低のビア径などがあります。ここではその設定方法を紹介します。
まずは、「デザインルール」メニューの「デザインルール」（下図←）からデザインルールエディターを開きます。
デザインルールエディターの上部の「ネットクラス」の中に初期状態ではクリアランスが0.2mm
配線幅が0.25mm ビア径が0.6mm ビアドリルが0.4mmに設定されています。このうちクリアランスには配線同士の間隔（隙間）とビアや穴同士や配線との間隔をすべて一括にくくったものになっています。「マイクロビア径」と「マイクロビアドリル」については４層とかの基板にならない限り使うことはないので気にする必要はありません。
ここに業者のデザインルールを入力していきますが、業者のデザインルールギリギリではうまく製造されない可能性があるので少々ゆとりを持った値を入力しておきます。推奨のデザインルールが定義されている場合はその値を入力するとよいでしょう。Elecrowに注文する場合は、「クリアランス」は0.203、「配線幅」は0.203以上の自分の希望する配線幅、「ビア径」と「ビアドリル」はデフォルトのままにしておきます。
また、電源ラインなどで配線幅を変えたい場合は配線ごとにデザインルールを設定することが可能です。
デザインルールエディターの中ほどの「追加」（図中↑）をクリックしてデザインルールを追加します。すると「新規ネットクラス名」が表示されるのでその中に追加するデザインルールの名前（正式にはネットクラス名と言います）を入力します。
すると先ほどの図のようにデザインルール複数設定できるようになります。新しいデザインルールには設定したい配線幅などを入力しておきます。
次に新たなデザインルールを設定する配線を選びます。「メンバーシップ」の右側（左でも可）のドロップダウンリスト（先ほどの図の→）から新たなデザインルール（変更先）を選択します。
そして、新しいデザインルールを設定したい配線を左の配線一覧から選び、「>>>」(図の←)をクリックして新しいデザインルールに変更します。変更したい配線が右側のリストに入り、クラスが変更先のデザインルール名になっていることを確認します。図では「GNDPWR」の配線が「power」のデザインルールに変更されています。
このように配線ごとに配線幅を変更することが可能です。しかし、太くする配線の名前（ネット名）を調べるのは大変です。そのため手動配線に限りますが、電源ラインなどから順番に配線を行っていき、配線幅を変更したくなった時に「デザインルールエディター」を開き、都度配線幅を変更することでいろいろな幅の配線を引くことが可能です。あくまでこのデザインルールはこれから引く配線について設定しているので、このような技が可能なのです。ちなみに、筆者はこの方法で配線をしています。
今回はこの程度にしておきましょう。次回はネットリストの読み込みから始めます。
