途中で、仕事が忙しくなって部屋の模様替えやらなんやらで、途中で作業が止まっていた ESP13 (ESP-WROOM-02)のBackBoost 電源回路のモジュールの再開です。

 

このシリーズは、PCBのプリント基板を作って BackBoost 回路に TPS63000 を使い、さらにリチウム電池の充電機能と放電保護を入れた ESP-WROOM-02 のモジュールを作るコンセプトです。

 

とりあえず、前回はESP8266 を動かすところまでは行かず、電源回路の半田付け不良とかで止まっていました。QFN パッケージのTPS63000 も何個かつぶして、練習すること数台目、やっと動作するものができました。

LEDが裏側についているのでわかりにくいですが、2つビルトインで付いているグリーンとブルーのLED を点滅しています。

１セルのリチウム充電回路と保護回路も付いています。充電しながらの動作も対応です。

とりあえず、もうひとつ同じものを作り、各種電圧、電流などを測定してチェックしてみたいです。そもそも、そういう用途に作ったものですので。

ケースにも入れて、とりあえずこのネタを再開できそうです。

 

今、チェックしているのは、プログラム書き込みを自動化する回路を組み込んであるのですが、IDE の設定なのかこれが動作せずです。

ハードが悪いのか、ソフトの設定なのかをとりあえず分けたいところです。IDE のバージョンが1.6.9 まで上がって ESP8266 の Community のバージョンも 2.3.0 まで進化しました。

 

久しぶりだったので、この進化にまだ追いつけず。

https://github.com/esp8266/Arduino

汎用を選ぶとリセット方法も選択できるようです。

とりあえず、模索中です。

 

まとめ、というかやることリスト

・ESP8266 の BackBoost 回路付きの開発ボードが出来た

・QFN パッケージは慣れれば楽。5個くらい練習で潰れましたが、、、、

・リセットボタンの半田面のサイズが小さく、次回はもう少し幅を取りたい。

・リセット方法をNodeMCU のようにするにはどうすれば？

・12K と 200KΩの 0603 サイズを追加注文。12K は消費個数が多く、200KΩはとりあえず手元になかった。（表記はあるが、実測値が違っていた）

・オリジナル基板は楽しい反面、どっかおかしいところを見つけるのが難しい。ハードの問題（部品含む）なのか設計か、半田付け不良か、ソフトウェア的な問題なのか、などなど。

・とりあえず、おかしな動きが取れたらケースに入れたい。

なかなか平日は作業が進まず（お仕事から帰還すると眠くて・・・）、先週の土日に全体を組み付けたので、作業工程を載せておきます。電源ICの半田付けがどうやらまずそうということが今のところわかっています。２つ作ったのですが、１つは、熱にやられたようで、もう１つは、おそらく半田付け不良です。降圧はするけど、昇圧しないという現象。

 

小物のパーツを組みつけてから、大物パーツをつけていきます。ピンヘッダーは裏側から半田付け。熱で温度が上がるので、コルクの作業版では焦げるので、写真のように金属版とその下には、mac のマザーボードの中にあった、ヒートシンクに使われていた銅板を敷いています。

1点を固定してから、垂直に修正して半田付けします。 フラックスは後に清掃します。

表部分はこんな感じ。完全にフラットにするには耐熱性のテープを貼り付けたほうが良さそうです。そんなテープはあるのかな？要検討です。

ESP の裏側には熱を拡散させる金属部分が出ているので、ビニールテープでマスク。

左右のクリアランスはこんな感じ。

フラックスをつけて、半田大盛りでつけます。左側がちょっとブリッジしています。後に修正。

充電モジュール部分も予備半田して、フラックスを塗ります。

エアーガンでブローして、くっ付けます。このとき、パーツが外れないよう、テープで覆ったほうが良いことがわかりました。あと、リセットスイッチは一部、プラスチックが使われているので、後からつけたほうが良さそうです。

とりあえず、こんな感じです。週末に、サイド同じものを組み付けて練習してみます。

一日かけて、QKしながら、まったりと一応、組み付けましたが、まだ動作確認まで気力がわかず動作するかどうかはまだ未チェックです。コハクラフトさんからE-ink 開発ボードが速く届いたのに、手が回りませんでした。BackBoost がとりあえず、完了してからがんばることに。

 

一応、全体像の紹介。

工程の勘所をチェックするため、最後まで組み立ててみました。

PINは、イレギュラーですが、表をフラットにするため、裏からつけてあります。幅をESPの最小幅にするためです。

いくつか、設計上と変更をしたほうがよいところに気がつきました。

IC2 のスイッチに使っているのは、足が生えてるので小さいですが半田付けは楽です。 この表の充電モジュールもブローでリフローしました。ピンセットで一押しするとき、手がブルって、モジュール上の部品が外れて大変でした。

 

とりあえず、電源が出ているかどうかのチェックをしてみたのですが、何かがおかしい。

まぁ、一発で成功するのは稀なので、何かが悪いのでしょう。

 

今週少しづつ、チェックしていこうと思います。

成功する例を載せても、まぁ教訓にはなりません。

失敗からコツを覚えておくためにも、写真解説付きで載せなぜ失敗したかを考えてみたいと思います。

 

さて、半田付けの対象はTPS63000です。 このパッケージはQFN というものとなり、箱型でPINが生えていないパッケージになります。

半田付けする基板の位置は以下の部分です。

PCB 上の1PINのマークを付け忘れたのでeagle 上で確認します。右上が1PIN でパーツにポチが付いているのがマークです。裏面は中央にGNDがあり熱をPCB上に逃がす構造です。これを半田付けするには、ブローがどうしても必要です。

写真では大きく見えますが、いざ、部品と向き合って見てみると、その小ささに面食らいます。イメージでは、米粒2個分くらいか、それ以下です。

 

写真は、ビデオを撮りながらあとからキャプチャーしたものです。まだ、拡大鏡のCCDが用意できていないので、ビデオで代用しました。肉眼では、まったく見えないということはないのですが、状態の変化がよくわかりませんし、部品の表面についている1PIN マークがほぼ見えません。なんらかの拡大鏡は必須と感じました。

 

大きく流れは以下のようなポイントです。ペースト半田を使っていますが、工程からするとあまり意味が無い感じです。

1) 半田を適量つけ、予備半田をする

2) フラックスをつける

3) パーツをピンセットで置き、熱風を当てる

4) 半田が溶けると、パーツが少し沈むのでピンセットで少しあてなじませる

5) フラックスを掃除

 

結論から言えば、この工程の、3,4 で失敗しました。

 

1) 半田を適量つけ予備半田をする。

 

ペースト半田をつけました。かなり荒っぽいですが、溶けてきれいになるので問題ありません。そもそも3mm 四方の話で、手作業では限界があります。ステンシルを作ってつける場合は、ペースト半田の意味があると感じました。

熱風をあて、溶かします。

PCBにマスクがかかっているので、銅箔面にくっつきます。

ピンにブリッジが出来る場合、先がフラットになっている小手で、修正します。

こんな感じの状態を作ります。ステンシルで綺麗に、この胴箔面にペースト半田を付けられれば溶かさずパーツを置いてしまって良いと思います。

2) フラックスをつける

3) パーツをピンセットで置き、熱風を当てる

 

少し清掃してから、フラックスを付け直したほうがよかったかもしれませんが、写真のようにまだフラックスがあるのでいいかなと、パス。ピンセットでパーツを置き熱風を当てます。

4) 半田が溶けると、パーツが少し沈むのでピンセットで少しあてなじませる

 

フラックスの液と半田に浮いていますが、熱風を当てていると少し沈み込みます。このとき、位置がずれてしまいました。

うまく位置を修正できずに、一度半田が固まりました。サイド、熱風をあて、ピンセットで位置を修正しています。

5) フラックスを掃除

 

ちゃんとついたように見えたのですが、清掃してよく見ると、位置が大幅にずれています。

パーツが付いていない基板と見比べると、あきらかに下側によっています。中央のGNDパット部分がPINに干渉しているかもしれません。

 

というわけで、最初の工程は失敗。さて、どこが悪かったのでしょうか？ だめなところをまとめると以下です。

・GNDパッドが溶けて沈み込むときにずれた。

・ブローを横から当てていた

・真上からあててたとしても、ピンが4方になく、左右にずれるの当然かも。

・ずれるとは思っていなかったので、ピンセットを持っていなかった

・PIN部分の半田が溶け、表面張力により移動した

・予備半田したあと、フラックスを付け直さなかった

 

先輩たちのビデオを見てわかったことがあります。

・工法は、大きく２つあり、GNDパットのみ予備半田をして、リフローし、PINはあとから手半田で行う方法と、同時にPINまでつける方法がある。

・PIN部分もサイドから、あとから手半田している。パーツのサイド面の端子部分と半田をなじませている。

・PINを同時につける場合は、GNDパット部分の半田を盛り過ぎないこと。予備半田したとき、サイドから見ればPIN部分と同一の高さになるようにする。これによりずれにくくする

・予備半田をしたのち、フラックスは必ずつける。フラックスの流れで、半田が溶けて沈み込みの現象が良くわかるのと、多少位置がずれた場合に、修正が楽になるのと、２つ意味がある。

・ペースト半田を使う必要は無い。

 

▼参考

 

サイド部分はあとから、半田する場合

[youtube https://www.youtube.com/watch?v=hYllE1gnzzU]

 

GNDパットとPINを同時の場合（映像にはないが、あとから、サイドもやっていると思う）

[youtube https://www.youtube.com/watch?v=JW3kRnjggFo]

さて、昨日土曜日からESP BackBoost PCBの半田付けをやっていますが、まだ1枚しかPCBをカットしていないので効率化と今後のためにカットを楽にするためのジグを作りました。

ジャンク箱にあったステンレス製の金具を２つに分断し、PCBを挟み込む構造です。これで両面からカッターを1度に当てられ曲げ折ることが1工程でできます。

こんな感じで、挟み込んでカッターを両面から切り込ませ、曲げ折ます。Vカットライン（もどき）を手動で入れるような感じですね。

曲げ折った後は、やすりでサイズ調整します。作業はずいぶん楽になりました。1mm以下 のPCBでは、この工法が手作業では良さそうで、今後採用です。このサイズなら、PCBの厚みは１ｍｍで用は足りるので、これから発注するPCBも1mm 以下のものにしていこうと思います。

 

さて、半田付けの続きをやりますか。

なかなかコツをつかむまで、練習が必要です。次の記事ネタにします。