PCBの設計方法：初心者向けEasyEDAステップガイド

PCB設計とは、ブレッドボード上に配線して作った回路を、銅箔パターンで部品をつなぐ恒久的なプリント基板にすることです。今では高価なソフトウェアや工場は必要ありません。無料のEasyEDAを使えば、ブラウザーで回路図を描き、基板を設計して製造用ファイルを生成し、数回のクリックで発注できます。1〜2週間後には、プロが作ったような基板が手元に届きます。

このガイドでは、Arduino Nanoを使った小型センサー基板を例に、作業全体を順に進めます。回路図の作成、部品ごとの正しいフットプリント選び、部品配置、電流に応じた配線幅の設定、GNDのベタ銅箔の追加、DRCによるエラーの確認、ガーバーファイルの生成、発注、届いた基板の動作確認までを扱います。最後に、初心者がよくする設計ミスを紹介し、EasyEDAと高機能な代替ソフトKiCadを簡単に比較します。

PCBとは？ブレッドボードからPCBに移す理由

PCBは、ガラス繊維で補強したエポキシ樹脂（FR-4）の板に薄い銅箔を貼り付けたものです。趣味の電子工作用基板の多くは2層です。表と裏に銅箔があり、ビアと呼ばれる小さなめっき穴で2つの層を接続します。銅箔を覆う緑色などの塗膜はソルダーレジストです。配線を保護し、パッドだけにはんだが付くようにします。表面の白い文字はシルク印刷層です。ブレッドボードは試作に最適ですが、振動で配線が緩み、長いジャンパーワイヤーはノイズを拾いやすく、回路がケースに収まらないこともあります。PCBにすると、丈夫で小さく、同じものを再現でき、問題の調査もしやすい回路になります。

作例：Arduino Nanoを使ったセンサー基板

このガイドでは、ブレッドボードでよく作られる回路をPCBに移します。使うのはArduino Nano、DHT22温湿度センサー、I2C OLEDディスプレイ用の4ピンヘッダー、2個のボタン、LED、パッシブブザーです。Nanoを基板に直接はんだ付けせず、2本の15ピンメスヘッダーに差し込みます。こうすれば、別のプロジェクト用に取り外したり、故障時に簡単に交換したりできます。基板にはねじ式端子台を通して7〜12 VのACアダプターから給電し、ダイオードで逆接続を防ぎます。ピン番号は「Arduino Nanoのピン配置」を参照してください。

PCB設計の流れ：7つのステップ

1. 回路図：記号で回路を描き、すべての接続を確認します。
2. フットプリント：各記号に対応する、基板上のパッドと穴の配置を選びます。
3. 部品配置：基板の大きさを決め、部品を機能ごとにまとめて配置します。
4. 配線：接続を銅箔パターンとして引き、電源の配線幅を広くします。
5. ベタ銅箔：空いている部分をGNDにつながる銅箔で埋めます。
6. DRC：設計ルールをチェックし、エラーを修正します。
7. ガーバーと発注：製造用ファイルを生成して確認し、製造業者にアップロードします。

1．EasyEDAで回路図を描く

EasyEDAには、従来のシンプルなStandardと、新しい高機能なProの2つのエディションがあります。どちらも無料で、ブラウザーまたはダウンロードできるデスクトップクライアントで使えます。初めてならProから始めましょう。無料アカウントを作成して新しいプロジェクトを開くと、空白の回路図シートが表示されます。ライブラリパネルで部品名やLCSCの部品番号を検索し、回路図に配置します。抵抗、コンデンサ、LEDなどの基本部品には、記号とフットプリントが用意されています。次にワイヤーツールでピンをつなぎ、電源にはVCCとGNDの記号を使います。回路図を読み慣れていない場合は、「回路図の読み方」で記号を1つずつ解説しています。

2．フットプリントを選ぶ：記号に対応する基板上の形

記号は回路図で部品の役割を示し、フットプリントは基板上で部品の足が接続されるパッドや穴、その部品が占める範囲を定義します。同じ10 kΩの抵抗にも、7.62 mmや10.16 mmピッチのスルーホール実装（THT）のアキシャル抵抗、0805や0603などの表面実装（SMD）パッケージなど、数十種類のフットプリントがあります。手元の部品を定規やノギスで測らずに、フットプリントを選ばないでください。最初の基板には、手ではんだ付けしやすいTHT部品がおすすめです。SMDに進むときは、0805サイズが手ではんだ付けしやすいでしょう。SMD抵抗に印刷されたコードは、「SMDコード」ツールで読み取れます。

3．基板の大きさと部品配置

• まず外形から：基板の外形を描きます。作例の基板は60 × 50 mmです。多くの製造業者では100 × 100 mm未満の基板が最も安い価格帯になります。
• 取り付け穴：四隅に3.2 mm（M3）の穴を、端から約3.5 mm内側に配置します。後で基板をケースにねじ止めしやすくなります。
• コネクターは端へ：ねじ式端子台、OLED用ヘッダー、NanoのUSB端子を基板の端に向け、ケーブルを差すときに部品が邪魔にならないようにします。
• 部品をまとめて配置：電源部品（端子台、ダイオード、コンデンサ）を一角にまとめ、ボタンは操作する人が押しやすい端に配置します。
• センサーを熱源から離す：DHT22をNanoのレギュレーターやブザーから離して配置します。レギュレーターの熱で温度の測定値が数度ずれることがあります。
• はんだ付けの余裕を確保：部品の間にはんだごてのこて先が入る十分なスペースを設け、隣り合う2つのパッドの間隔が1 mm未満にならないようにします。
• シルク印刷：各部品の番号（R1、D1）、LEDとコンデンサの極性、ピン名、基板名を記入します。文字をパッドに重ねないでください。

4．配線を引き、配線幅を決める

部品配置が終わると、部品の間に細い線が表示されます。このラッツネストは、回路図にはあるものの、まだ銅箔で配線されていない接続を示します。配線ツールで、1本ずつ銅箔パターンにしていきます。配線幅によって流せる電流が決まります。細い配線に大電流を流すと発熱し、電圧降下が起き、最悪の場合は焼き切れます。信号線は0.25〜0.3 mmで十分ですが、5 VやVINなどの電源線は少なくとも0.6〜1 mmの幅にしてください。特にサーボモーター、モーター、LEDテープへ給電する場合は重要です。次の値は、外層の1 oz（35 µm）銅箔、温度上昇約10 °Cという条件で、IPC-2221の近似式から算出した目安です。余裕を持たせておくと安心です。

配線間の間隔（クリアランス）は少なくとも0.2〜0.3 mm確保してください。多くの製造業者はもっと狭い間隔にも対応できますが、広めにしておけば製造とはんだ付けの両方で余裕ができます。別の層へ配線を移す場合はビアを使います。趣味の基板では、穴径0.3 mm、外径0.6 mmのビアが一般的です。曲がり角は45度にし、90度未満の鋭い角度を避けてください。2層基板では、主に表面を横方向、裏面を縦方向に配線すると、交差を解決しやすくなります。LED用抵抗の値は、「LED抵抗計算ツール」で求められます。

5．GNDのベタ銅箔

すべての配線を引いたら、基板表面の空いている部分をGNDネットにつながる銅箔で埋めます。EasyEDAでは銅箔エリアツールを使います。表面と裏面の両方にベタ銅箔を設け、基板全体に分散させた数個のGNDビアで2つの層を接続します。利点は3つあります。各部品のGNDを別々に配線せず最短で接続でき、GND経路の抵抗とノイズを減らせ、製造時にエッチングで除去する銅箔も少なくなります。スルーホール部品のGNDパッドは、サーマルリリーフという4本の細い接続部を通してベタ銅箔につながります。これにより、はんだごての熱が大きな銅箔面に逃げにくくなり、パッドを加熱できます。ベタ銅箔を追加したら再生成し、どこにもつながっていない小さな孤立銅箔を取り除いてください。

6．DRCを実行する

DRC（設計ルールチェック）は、設定したルールに従って設計を自動で検査するツールです。近すぎる配線、基板端に近すぎる銅箔、重なるパッド、基板からはみ出す部品、まだ接続されていないネットを一覧表示します。エラー一覧の行をクリックすると、EasyEDAが問題の場所を示します。エラーがなくなるまでDRCを実行してください。ただし、DRCだけに頼ってはいけません。フットプリントの選択ミスや、ピンを誤ったネットにつないだことはDRCでは分かりません。発注前に、次の項目も手作業で確認してください。

1. 画面にラッツネストが残っておらず、DRCのエラーがゼロであることを確認してください。
2. 基板を100%の倍率で紙に印刷し、実物の部品を重ねてください。穴の間隔とNano用ヘッダーの位置がぴったり合う必要があります。
3. 3D表示を開き、部品が重なっていないことと、USB端子と端子台が基板の端を向いていることを確認してください。
4. 電源の経路をたどり、端子台、ダイオード、コンデンサ、NanoのVINピンが正しい順番につながっているか確認してください。
5. シルク印刷に、極性の印、ピン名、基板名、バージョン番号（例：v1.0）があることを確認してください。

7．ガーバーファイルの生成と発注

製造業者が使うのは設計ファイルではなく、業界標準のガーバーファイルです。ガーバーは基板の各層を個別のファイルで表し、穴の位置と直径は別のドリルファイルに保存します。EasyEDAの製造メニューでガーバー出力を選ぶと、すべてのファイルが1つのZIPアーカイブにまとめられます。この画面には、EasyEDAと同じ企業グループの製造業者へ直接発注する選択肢もあります。ZIPを別の製造業者にアップロードすることもできます。どこに発注する場合も、アップロード後はオンラインのガーバービューアーで基板を層ごとに確認してください。描いたとおりに製造されるかを確かめる最後の機会です。

基板は通常数日で製造され、配送には選んだ方法に応じて1〜2週間かかることがあります。届いたら、すべての部品を一度にはんだ付けしないでください。まずダイオード、コンデンサ、端子台だけを取り付け、VINとGNDの間に短絡がないことをテスターで確認します。その後に電源を入れ、Nano用ヘッダーで正しい電圧が出ていることを確かめます。続いて、抵抗、ダイオード、ボタン、ヘッダー、最後に大きな部品というように、背の低いものから順にはんだ付けします。きれいな接合の作り方は「はんだ付けのやり方」、測定方法は「テスターの使い方」を参照してください。Nanoを差し込み、次のテスト用スケッチを書き込んで、基板上の接続を1つずつ確認します。

1// Nano kartı ilk test: her bağlantıyı tek tek doğrula
2// Nano board first test: check every connection one by one
3#include <Wire.h>
4
5const int DHT_PIN  = 2;              // DHT22 veri hattı, 10 kΩ pull-up / DHT22 data line, 10 kΩ pull-up
6const int BUTON1   = 3;              // buton GND'ye / button to GND
7const int BUTON2   = 4;
8const int LED_PIN  = 6;              // LED + 330 Ω
9const int BUZZER   = 8;              // pasif buzzer / passive buzzer
10
11void i2cTara() {
12  byte bulunan = 0;
13  for (byte adres = 1; adres < 127; adres++) {
14    Wire.beginTransmission(adres);
15    if (Wire.endTransmission() == 0) {             // cihaz cevap verdi / a device answered
16      Serial.print(F("I2C cihaz / device: 0x"));
17      Serial.println(adres, HEX);                  // OLED genelde 0x3C / OLED is usually 0x3C
18      bulunan++;
19    }
20  }
21  if (bulunan == 0) Serial.println(F("I2C cihaz yok: A4/A5 yollarini kontrol et / no I2C device: check the A4/A5 tracks"));
22}
23
24void setup() {
25  Serial.begin(9600);
26  pinMode(BUTON1, INPUT_PULLUP);
27  pinMode(BUTON2, INPUT_PULLUP);
28  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
29  pinMode(DHT_PIN, INPUT);
30  Wire.begin();
31
32  Serial.println(F("--- Kart testi / board test ---"));
33  i2cTara();
34  // Pull-up direnci lehimliyse veri hattı boşta HIGH okunur
35  // If the pull-up resistor is soldered, the idle data line reads HIGH
36  Serial.print(F("DHT hatti / DHT line: "));
37  Serial.println(digitalRead(DHT_PIN) ? F("HIGH (pull-up tamam / OK)") : F("LOW (pull-up ya da kisa devre? / pull-up or short?)"));
38  tone(BUZZER, 2000, 150);                         // buzzer kısa bip / short beep
39}
40
41void loop() {
42  digitalWrite(LED_PIN, (millis() / 500) % 2);     // LED yarım saniyede bir / LED every half second
43
44  static bool once1 = HIGH, once2 = HIGH;
45  bool b1 = digitalRead(BUTON1);
46  bool b2 = digitalRead(BUTON2);
47  if (b1 == LOW && once1 == HIGH) { Serial.println(F("Buton 1 / button 1")); tone(BUZZER, 1000, 80); }
48  if (b2 == LOW && once2 == HIGH) { Serial.println(F("Buton 2 / button 2")); tone(BUZZER, 1500, 80); }
49  once1 = b1;
50  once2 = b2;
51  delay(20);                                       // basit debounce / simple debounce
52}

起動時にコードがI2Cバスをスキャンし、OLEDが接続されていればそのアドレス（通常は0x3C）を出力します。何も見つからなければ、A4とA5の配線を確認するよう表示します。R1のプルアップ抵抗が正しくはんだ付けされていれば、DHT22のデータ線は待機時にHIGHになります。LOWなら抵抗が付いていないか、配線がGNDに短絡しています。起動時にブザーが短く鳴り、LEDは0.5秒ごとに点滅し、各ボタンを押すとシリアルモニタにボタン名が表示され、それぞれ異なる音が鳴ります。これらのテストをすべて通過したら、センサーとディスプレイのライブラリを追加し、本来のプロジェクトに進めます。

PCB設計でよくある間違い

KiCadを簡単に紹介：EasyEDAとKiCad、どちらを選ぶ？

KiCadでも作業の流れは同じです。回路図エディターで回路を描き、各記号にフットプリントを割り当て、PCBエディターで配置と配線を行い、DRCを実行して、プロットメニューからガーバーファイルとドリルファイルを生成します。最初の基板なら、EasyEDAの既成ライブラリと1ステップでの発注が時間の節約になります。設計が大きくなり、オフラインで作業したい、ファイルをすべて手元で管理したい、高度な機能を使いたい場合は、KiCadへの移行を検討するとよいでしょう。ここで学んだフットプリント、配線幅、ベタ銅箔、DRCの考え方は、どちらのソフトウェアでも同じです。

初めてのPCBを手にすると、ブレッドボード上で入り組んでいた配線が、丈夫で同じものを再現できる基板に変わったことを実感できます。失敗しても、2作目は必ずよくなります。THT部品を使った小さな基板から始め、フットプリントと電源線を再確認し、発注前に紙へ印刷して部品を合わせてみてください。BlueGraysアプリのLED、ボタン、ブザー、DHT11、LCD、OLEDのプロジェクトにある配線図は、自作基板を設計する際のよい出発点になります。まずアプリの手順に沿ってブレッドボードで回路を動かし、その後でPCBに移しましょう。