KiCadの基本操作

KiCad-Pcbnewの基板レイアウト方法

当記事では、基本的な回路の一つである「オペアンプ反転増幅回路」を題材にKiCad-Pcbnewでの基板レイアウト方法を実戦形式で学んでいきます。

やはり、KiCadに限らずソフトウェアの使い方を覚えるには、取扱説明書を端から端まで読むよりも、まずは実践形式で使いながら覚えて行った方が早いはずです。

なお、Pcbnewのメニューコマンドは以下の記事でまとめてあります。細かい部分でわからないところがあったら参照してみて下さい。

回路図作成

Pcbnewで基板レイアウトをするには、Eeschemaで作成した回路図またはネットリストを用意する必要があります。

Eeschemaでの回路図作成方法については、以下の記事をご覧ください。回路図のダウンロードも可能です。

ページ設定(図枠の設定)

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KiCad Pcbnew 基板レイアウトエディタ

「Pcbnew(基板レイアウトエディタ)」をクリックします。
(プロジェクトが開いている状態で、「Pcbnew」をクリックできるようになります。)

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KiCad Pcbnew ページ設定

「ページ設定」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew ページ設定 図枠の設定

ページ設定の画面が開くので、ここで図枠の設定を行うことができます。

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KiCad Pcbnew タイトルブロックパラメーター

例として、青枠で囲んだ部分を入力すると、以下のようになります。

KiCad Pcbnew 英数字 入力

なお、日本語だと文字化けしてしまうので、必ず英数字で入力するようにしてください。

基板セットアップ

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KiCad Pcbnew 基板セットアップ

「基板セットアップ」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew 基板セットアップ 画面

このように基板セットアップの画面が表示されます。

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KiCad Pcbnew 層数 厚さ レイヤー

「レイヤー」では基板の仕様に合わせた層数、厚さ、レイヤーを選ぶことができます。今回、例として基板レイアウトを行う「オペアンプ反転増幅回路」の回路規模は2層基板で十分なので、「2レイヤー、表面のみ部品実装」を選択します。

レイヤー
  • カスタムレイヤーセット
  • 2レイヤー、表面のみ部品実装
  • 2レイヤー、裏面のみ部品実装
  • 2レイヤー、両面実装
  • 4レイヤー、表面のみ部品実装
  • 4レイヤー、両面実装
  • 全レイヤーオン

KiCad Pcbnew レイヤ

レイヤ名 レイヤ種別 説明
F.Cu, B.Cu 基板表面・裏面の銅箔面 パターンを描く導体
In1.Cu, In2.Cu … 内層 パターンを描く導体、F.Cu, B.Cuと併せて最大32層まで使用可能
F.Mask, B.Mask ソルダレジスト層
(緑の絶縁保護膜)
ソルダレジストがない箇所がハンダ付け可能なパターン
F.SilkS, B.SilkS シルク印刷層 部品番号や記号などを書き込む
F.Paste, B.Paste ソルダペースト層
(クリームはんだ)
メタルマスクの元になるデータ
F.Adhes, B.Adhes 部品接着層 実装時に部品が落ちないように接着剤を塗る
F.CrtYd, B.CrtYd 部品が配置されるサイズを示す層
Edge.Cuts 基板の外形線を示す層
Margin マージンを示す層 現在、ほぼ使われていない
F.Fab, B.Fab 製造時のコメントを記入する層
Eco1.User, Eco2.User,
Cmts.User, Dwgs.User
ユーザー任意の層 ユーザーが自由に使うことができる

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KiCad Pcbnew デザインルール

デザインルールでは、最小配線幅などの基板全体に適用されるルールを設定することができます。基板製造業者には以下のP板ドットコムのように製造基準があるので、ここで設定しておくと良いでしょう。

今回は、あくまで練習用の基板レイアウトなので、デフォルト設定のままのデザインルールで行います。

P板ドットコム製造基準

製造基準 P板ドットコム
最小パターン幅/間隔
(最小配線幅/間隔)
0.075mm
最小ビア径
(最小ビア直径)
0.15mm
最小ランド径
(最小ビアドリル)
0.35mm
標準パターン幅/間隔 0.127mm
標準ビア径 0.3mm
標準ランド径 0.6mm

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KiCad Pcbnew ネットクラス

ネットクラスでは、配線と穴のサイズがセットになった設定を行うことができます。ここでもデフォルト設定のままのネットクラスで行うので、そのまま「OK」をクリックします。

ネットクラス

KiCad Pcbnew ネットクラス 詳細画像

インタラクティブルーターの設定

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KiCad Pcbnew インタラクティブルーター設定

「配置」-「インタラクティブルーター設定」をクリックします。

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KiCad Pcbnew インタラクティブルーター設定 設定

インタラクティブルーターの設定の画面が表示されます。ここでは、パターン配線の際に、衝突する配線を押しのけて配線することができる「押しのけ」などを設定することができます。
今回は、「押しのけ」設定は行わないので、デフォルトのまま「OK」をクリックします。

基板外形の描写・ねじ穴の配置

基板外形の描写

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KiCad Pcbnew Edge.Cuts 図形ラインを追加

基板外形を描写するので、「Edge.Cuts」を選択して「図形ラインを追加」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew 線を引く

画面上の適当な位置でクリックして、カーソルを移動させて線を引いて再度、クリックします。この際、角度が「0.0」になるように注意して下さい。

また、線の長さは後で簡単に変更できるので適当な長さで構いません。むしろ、カーソル移動で長さを調整するのは大変だと思います。

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KiCad Pcbnew 先の長さ確定

線の長さは確定しましたが、まだ配線の追加のコマンドが続いているので、マウスの右クリックをして「キャンセル」を選択します。

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KiCad Pcbnew 線 ドラッグ

「アイテムを選択」のアイコンをクリックして、線をドラッグします。

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KiCad Pcbnew 線 プロパティ

線をマウスで右クリックして、「プロパティ」を選択します。

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KiCad Pcbnew 配線セグメントのプロパティ

ここでは、線の長さを30mmにしたいので、終点Xに始点Xの165.1に30を加えた「195.1」を入力します。入力後、「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew 線 複製

線の長さが30mmになったので、線を右クリックして「複製」をクリックします。

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KiCad Pcbnew 線 複製 配置

画面上の適当な位置でクリックして線を複製します。

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KiCad Pcbnew 縦線 作成

同様に縦の20mmの線を2本作成します。

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KiCad Pcbnew 線 移動

左側の線を右クリックして「移動」を選択します。

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KiCad Pcbnew 線 接続

キーボードの「Altキー」を押しながら、横の線に近づけると「○マーク」が表示され、ぴったり線同士が接続されるので、そのままクリックします。

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KiCad Pcbnew 線 接続 四角形

他の線も同様に接続して、四角形にします。これで基板外形の描写は完了です。

ねじ穴の配置

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KiCad Pcbnew フットプリントを追加

「フットプリントを追加」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew MountingHole_2.2mm_M2_ISO7380_Pad 選択

「MountingHole_2.2mm_M2_ISO7380_Pad」を選択して「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 配置

カーソル移動で正確な位置に配置するのは難しいので、まずは「ねじ穴」を基板外形の四角形の角に配置します。

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KiCad Pcbnew 数値を指定して移動

配置したねじ穴を右クリックして「数値を指定して移動」を選択します。

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KiCad Pcbnew アイテムを移動

「アイテムを移動」の画面が表示するので、移動Xに「2.5」、移動Yに「2.5」を入力して「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 基板内側 移動

「ねじ穴」が基板内側に移動します。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 その他 移動

その他の「ねじ穴」も同様に配置します。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 プロパティ

「ねじ穴」を右クリックして、「プロパティ」を選択します。

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KiCad Pcbnew フットプリントのプロパティ リファレンス 定数

フットプリントのプロパティの画面が表示されるので、リファレンスに「REF1」を入力、リファレンスと定数の「表示」のチェックを外して、「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 REF1 変更

「REF1」に変更されます。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 その他 REF2~4 変更

その他の「ねじ穴」も同様に、「REF2~4」に変更します。

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KiCad Pcbnew 3Dビューアー

確認のために「表示」-「3Dビューアー」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ねじ穴付きの基板 作成完了

問題なく、ねじ穴付きの基板が作成されたことがわかります。

ねじ穴(フットプリント)の作成方法

なお、今回はデフォルトで用意されているねじ穴のフットプリントを使用しましたが、自分でねじ穴のフットプリントを作成することができます。詳しくは以下の記事を参考にして下さい。

回路図から基板を更新

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KiCad Pcbnew 回路図から基板を更新

「回路図から基板を更新」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew 回路図から基板を更新 基板を更新

デフォルトのまま、「基板を更新」をクリックします。

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KiCad Pcbnew 回路図から基板を更新 閉じる

「閉じる」をクリックします。

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KiCad Pcbnew フットプリント 配置

フットプリントが表示されるので、画面上の適当な位置でクリックして配置します。

フットプリントの自動配置

KiCad Pcbnew フットプリント 自動配置

「フットプリントを自動配置」-「基板外にあるコンポーネントを自動配置」を使用することで、基板内に部品が入りきるのか調べることができます。

ただし、デタラメに配置されるので、あくまで正確に基板レイアウトを行うには手動でフットプリントを配置する必要があります。

フットプリントの配置

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KiCad Pcbnew グリッド 選択

フットプリントを配置しやすいように、「グリッド:0.5080mm」を選択します。

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まずはU1のフットプリントを配置してみます。

KiCad Pcbnew フットプリント 左回転

U1を右クリックして、「左回転」を選択します。

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KiCad Pcbnew フットプリント 移動

再度、U1を右クリックして、「移動」を選択します。

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KiCad Pcbnew フットプリント 基板上に配置

基板上までU1のフットプリントを移動させて、マウスでクリックすることで配置することができます。

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KiCad Pcbnew フットプリント その他 配置

その他のフットプリントも同様に配置していきます。このフットプリントの配置はとても重要で、後に説明する「パターン配線」で電源、GND、アナログの配線が最短距離になるように考慮する必要があります。

パターン配線

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まずは基板の表面からパターン配線を行っていきます。

KiCad Pcbnew F.Cu 配線

「F.Cu」を選択して、「配線」のアイコンをクリックします。

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まずはJ1の1番ピンと抵抗R2のパターン配線をしてみます。

KiCad Pcbnew パッド 配線パターン

J1の1番ピンのパッドをクリックしてカーソルを移動すると、配線パターンが表示されます。

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KiCad Pcbnew 配線パターン確定

R2のパッドまでカーソルを移動させてクリックすると配線パターンが確定されます。

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KiCad Pcbnew その他 パターン配線

その他のフットプリントのパッドも同様にパターン配線を行います。

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KiCad Pcbnew 貫通ビアを配置

U1の8番ピンとJ3の1番ピンにパターン配線するには、基板の表面だけだと、他のパターンと衝突してしまうため、接続することができません。

そのため、「貫通ビア」を使用して、基板の裏面から接続する必要があります。

貫通ビアを使うには、パッドをクリックして、パターン配線の途中で右クリックして「貫通ビアを配置」を選択します。

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KiCad Pcbnew 貫通ビア 配置

「貫通ビアを配置」を選択すると、貫通ビアが表示されるので、配置したい位置でクリックします。

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KiCad Pcbnew B.Cu 接続先のパッド

自動的に基板裏面の「B.Cu」に切り替わるので、そのまま接続先のパッドをクリックします。

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KiCad Pcbnew パターン配線 完了

これで、パターン配線の作業は完了になります。なお、GNDに接続されるパッドについては、ベタグラウンドに落とすので、そのままにしておきます。

自動配線ツール

今回、題材として使用している「オペアンプ反転増幅回路」はかなり回路規模が小規模なので、全て手動でパターン配線しても、それほど時間がかかりません。

しかし、CPUやFPGAなどのピン数が多い部品を使った回路では、配線箇所が多くなってしまうので、かなりの時間を使わなければなりません。

KiCadでは便利なことに自動配線ツールが用意されているので、電源線、GND線、アナログ線などの重要な配線を手動で行った後、自動配線を使用すれば、かなりの時間を節約することが可能です。詳しくは以下の記事を参考にして下さい。

シルクの追加

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まずは現在のシルクの配置を確認してみます。

KiCad Pcbnew 3Dビューアー

「表示」-「3Dビューアー」をクリックします。

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KiCad Pcbnew シルク位置調整

現状のままでも問題ありませんが、今回は赤枠で囲んだシルクを位置調整してみます。

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KiCad Pcbnew シルク 右回転

U1のシルクを右クリックして、「右回転」を選択します。

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KiCad Pcbnew シルク 移動

U1のシルクを右クリックして、「移動」を選択します。

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KiCad Pcbnew シルク 移動 確定

上記のようにU1のシルクを移動、クリックして位置を確定させます。

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KiCad Pcbnew シルク その他 位置調整

その他のシルクも位置調整します。

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次に抵抗の値(定数)をシルク表示するように設定を変更します。

KiCad Pcbnew フットプリント プロパティ

R1のフットプリントを右クリックして、「プロパティ」を選択します。

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KiCad Pcbnew 定数 レイヤーF.SilkS

「定数」の「レイヤー」を「F.SilkS」にして、「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew 抵抗R1の定数 シルク表示

これで、R1の抵抗の定数がシルクで表示されるようになります。

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KiCad Pcbnew 抵抗R2の定数 シルク表示

R2も同様に定数をシルク表示させます。また、R1とR2のシルクが重なってしまうので、わかりやすい位置に移動させます。

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さらに、自分の好きな文字のシルクを追加する方法も紹介します。回路名や基板番号などをシルクで記入することが多いと思います。

KiCad Pcbnew F.SilkS 導体層または図形層にテキストを追加

今回は、当サイト名でもある「Spiceman」をシルク追加してみます。「F.SilkS」を選択して、「導体層または図形層にテキストを追加」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew 追加シルク 適当な位置でクリック

画面上の適当な位置でクリックします。

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KiCad Pcbnew テキストのプロパティ

テキストのプロパティの画面が表示されるので、「Spiceman」と入力して「OK」をクリックします。この画面では、文字の高さや幅なども設定することができます。

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KiCad Pcbnew 基板内 シルク 配置

基板内でシルクを追加したい箇所でクリックします。

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KiCad Pcbnew 3Dビューワー

確認のために、「表示」-「3Dビューワー」をクリックします。

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KiCad Pcbnew 基板上 シルク確認

問題なく、基板上にシルクが表示されていることがわかります。

Bitmap2Componentを使ったシルク作成

Bitmap2Componentを使用することにより、画像データをシルクロゴ(フットプリントデータ)に変換させることができます。

Bitmap2Component(ビットマップコンポーネントコンバーター)を使ってシルクロゴを作る方法の詳しい解説は、以下の記事をご覧ください。

ベタグラウンドの作成

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ねじ穴もベタグラウンドに落としたいので、ネット名をGNDに設定します。

KiCad Pcbnew ねじ穴のフットプリント プロパティ

REF1のねじ穴のフットプリントを右クリックして、「プロパティ」を選択します。

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KiCad Pcbnew パッドプロパティ GND

パッドプロパティの画面が表示されるので、ネット名を「GND」にして、「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ねじ穴のネット名 GND

REF1のねじ穴のネット名が「GND」になります。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 その他 GND

その他のねじ穴のネット名も同様に「GND」にします。

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KiCad Pcbnew グリッド 塗り潰しゾーンを追加

塗り潰しゾーンを指定しやすいように、「グリッド:0.2540mm」を選択します。その後、「塗り潰しゾーンを追加」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew 基板外形の角

基板外形の角をクリックします。

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KiCad Pcbnew 導体ゾーンのプロパティ

まずは基板表面からベタグラウンドを作成するので、レイヤーを「F.Cu」、ネットを「GND」、パッド接続を「サーマルリリーフ」を選択して、「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ベタグラウンドの塗り潰しゾーン 設定

1~4の順番で基板外形を囲むようにクリックしていき、ベタグラウンドの塗り潰しゾーンを設定します。

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KiCad Pcbnew ベタグラウンド作成

上記のようにベタグランドが作成されます。

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次は、基板裏面のベタグラウンドを作成します。

KiCad Pcbnew 基板裏面 ベタグラウンド

基板外形の角をクリックします。

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KiCad Pcbnew 導体ゾーンのプロパティ

基板裏面からベタグラウンドを作成するので、レイヤーを「B.Cu」、ネットを「GND」、パッド接続を「サーマルリリーフ」を選択して、「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew 基板裏面 ベタグラウンド作成

基板表面の時と同様に、基板外形を囲むようにクリックしていき、ベタグラウンドの塗り潰しゾーンを設定して、ベタグラウンドを作成します。

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このままでも問題ありませんが、今回はねじ穴をサーマルパッドではなく、全てベタグラウンドと設定するようにしてみます。

KiCad Pcbnew ねじ穴 全てベタグラウンド

レイヤーで「F.Cu」を選択して、ねじ穴の外側をクリックします。

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KiCad Pcbnew 導体ゾーンのプロパティ

まずは基板表面からベタグラウンドを作成するので、レイヤーを「F.Cu」、ネットを「GND」、パッド接続を「実線」を選択して、「OK」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ねじ穴を囲む

ねじ穴を囲むようにクリックします。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 ベタグラウンド 全て接続

すると、ねじ穴がベタグラウンドに全て接続されます。

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KiCad Pcbnew ねじ穴 その他 ベタグラウンド 全て接続

その他のねじ穴も同様にベタグラウンドに全て接続します。

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KiCad Pcbnew 基板裏面 ねじ穴 ベタグラウンド 全て接続

また、基板裏面のねじ穴についても、ベタグラウンドに全て接続します。

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KiCad Pcbnew 3Dビューワー

確認のために「表示」-「3Dビューワー」をクリックします。

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KiCad Pcbnew 基板表面 ねじ穴 ベタグラウンド 確認

基板表面にベタグラウンドが作成され、ねじ穴については全てベタグラウンドに接続されていることがわかります。

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KiCad Pcbnew 基板裏面 ねじ穴 ベタグラウンド 確認

基板裏面についても同じように、ベタグラウンドが作成され、ねじ穴については全てベタグラウンドに接続されていることがわかります。

ビアの追加

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ビアを追加して、基板表面と基板裏面のベタグラウンド同士を接続することで、インピーダンスを大幅に低下することが可能です。

KiCad Pcbnew ビアを追加

「ビアを追加」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew ベタグラウンド上 クリック

ベタグラウンド上でクリックします。

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KiCad Pcbnew ビア 追加

すると、ビアが追加されます。この時、ビアがパターンやシルクに重ならないように注意して下さい。

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KiCad Pcbnew ベタグラウンド上 ビア追加

上記のようにベタグラウンド上にビアを追加していきます。

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KiCad Pcbnew ゾーンの塗り潰し領域を非表示 ベタグラウンド非表示

ビアが本当にパターンやシルクに重なっていないか確認するため、「ゾーンの塗り潰し領域を非表示」のアイコンをクリックします。ベタグラウンドが非表示になるので、確認しやすくなります。

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KiCad Pcbnew 3Dビューワー

さらに、最終確認として、「表示」-「3Dビューワー」をクリックします。

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KiCad Pcbnew ビア シルクやパターンと重なっていないか確認

ビアがシルクやパターンと重なっていないか最終確認をします。

DRC(デザインルールチェック)

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これまで、作成した基板にエラーがないかチェックするために、DRC(デザインルールチェック)を行います。ただ、あらかじめデザインルールを設定しているので、エラーを検出するケースは少ないです。

KiCad Pcbnew デザインルールチェックを実行

「デザインルールチェックを実行」をクリックします。

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KiCad Pcbnew DRC実行前に全てのゾーンを再塗りつぶし DRCを実行

「DRC実行前に全てのゾーンを再塗りつぶし」にチェックを入れて、「DRCを実行」をクリックします。
(塗り潰し後にパターン変更してしまった場合、エラーの原因になってしまうことがあるので、ミスを防ぐ意味で「DRC実行前に全てのゾーンを再塗りつぶし」を有効にしておくことをおすすめします。)

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KiCad Pcbnew DRC(デザインルールチェック) エラーメッセージなし

メッセージに「終了」が表示され、エラーメッセージなしを確認できたので、「閉じる」をクリックします。

寸法記入

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寸法記入は必須ではありませんが、基板外形やねじ穴の位置の寸法を記入しておくと、ひと目で基板サイズがわかるのでやっておいた方が良いと思います。

KiCad Pcbnew 寸法線を追加

「寸法線を追加」のアイコンをクリックします。

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KiCad Pcbnew 基板外形の左上角

基板外形の左上角をクリックします。

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KiCad Pcbnew 基板外形の右上角 寸法確定

さらに、基板外形の右上角をクリックすると、寸法が確定します。

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KiCad Pcbnew 寸法位置 確定

後は基板外側にカーソルを移動させてクリックすると、寸法の位置を確定することができます。

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KiCad Pcbnew 寸法 その他 追加

その他の寸法線についても追加します。以上でPcbnewでの基板レイアウトは完了になります。

今回、作成した基板レイアウトは以下のリンクからダウンロードできます。

ダウンロード

※基板レイアウトに加え、回路図も含んだプロジェクトファイル一式

面付けと捨て基板の作り方

これまでは、基板レイアウトの基本について解説してきましたが、面付けを行うことで、基板製造時のコストを減らすことが可能です。また、捨て基板は、基板の保護やマウンター実装の対応などで必要です。

面付けと捨て基板の作り方についての詳しい解説については、以下の記事をご覧ください。

ガーバーデータの生成

当基板製造に必要なガーバーデータをKiCadのPcbnewで生成する方法についての詳しい解説は、以下の記事をご覧ください。

また、設計ミスを防ぐ意味でGerbviewで発注前に基板データをしっかりとチェックしておくことをおすすめします。

Gerbviewで基板データを確認する方法についての詳しい解説は、以下の記事をご覧ください。

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