より便利に実験ができるよう、ブレッドボードに刺さるMAX V CPLDボード「5M160nano」を設計したので、PCBWayに基板とステンシルを発注していました。
以前、アルミニウム基板は発注したのですが、FR4基板とステンシルは初なので、よくよく観察しながら組み立てていきたいと思います。
発注から到着まで
今回の基板は、普通の基板よりも工作精度が細かい、線幅5milで設計しました。そのため普通より製造がちょっと難しいと思われます。
6月17日午後6時前に発注して、発送準備ができたのが19日の夜でした。
翌日20日にDHLが引き取って、3日後23日に手元に届きました。今回は、17日に発注して23日に届いたので、6日で手元に届いたことになります。結構早いですね。
まだクリスマスには早いと思うのですが、特別仕様のパッケージで届きました。
基板とステンシルの出来具合は？
基板
こちらが、届いた基板です。5M160nanoボードを4枚面付けした基板になります。合計11枚届いて、9枚が面付けした基板が全て良品の基板、2枚が面付けした基板に不良が含まれる基板でした。今回は線幅5milと細い配線なので不良は仕方ありません。オプションで数ドル払うと、全てに不良のない基板が届きます。
具体的には、発注時の「X-out Allowance in Panel」を「いいえ」にします。コストは上がりますが、これで面付けされた基板全てが良品で届きます。
基板の仕上がりを見てみましょう。パターンはとても綺麗です。レジストずれもなさそうです。
上の写真は、左が他社で作った1世代前の設計の基板で、右が今回のPCBWayで作った基板です。他社製よりもシルクがくっきりと綺麗なのがわかります。シルク文字は、文字高0.7mm、線幅0.15mmと小さいのですが、綺麗に印刷されています。JTAGコネクタの四角のシルクは0.1mm幅なのですが、滲んだりかすれたりすることなく、綺麗に印刷できていますね。シルクのずれもなさそうです。
ステンシル
注文の時に、「その他特殊加工」の欄に、「150mm×150mmにカットしてください(英語で)」と注文しておいたのですが、要望通りカットしてくれました。大きなステンシルが届いても置き場所に困るので、このくらいのサイズがいいんですよね。ステンシルの精度は、はんだペーストを印刷した時に確認してみましょう。
テスト用に2つだけ組み立てみる
まずは、回路が正しく動作するか確認するため、4枚面付けした内の2個だけ部品を実装して動作検証してみたいと思います。
はんだペーストを印刷
まずはターゲットの基板の周辺に、不要な基板を配置して、ターゲットの基板が動かないようにします。
ステンシルを載せて画鋲で位置決めをし、左の2つだけにはんだペーストを載せます。はんだペーストは、CHIPQUIKのTS391LT50を使っています。普通のはんだペーストよりも粒度が細かいので、細かいステンシルでも綺麗にはんだペーストが抜けてくれます。
クレジットカードなどを使って、はんだペーストを印刷していきます。
綺麗にはんだペーストが印刷できました。
デジタル顕微鏡で覗いてみます。綺麗に印刷できています。PCBWayのステンシルの精度が、バッチリ正確なことがわかります。
部品の実装
電動バキュームピックでどんどん部品を実装していきます。
USBコネクタから1005サイズまで、全て電動バキュームピックで載せられます(JTAGコネクタは手載せです)。
全て部品を載せ終えました。
リフロー
温風で庫内全体を均一な温度でリフローできる、コンベクションオーブンで、リフローします。
100度3分、140度2分、160度1分で加熱してリフローしました。
1005部品が、一部向きを変えてしまっていますが、それ以外ほぼ綺麗にリフローできました。
デジタル顕微鏡で見てみましょう。このCPLDは0.4mmピッチととても狭いピッチなのですが、はんだボールも発生することなく、とても綺麗にリフローできました。CHIPQUIKのTS391LT50のはんだペーストは、ほんとに綺麗にリフローできます。中華のはんだペーストよりも断然不良率が下がりました。おすすめです。
動作チェック
USBを接続すると、LEDが光って、とりあえずショートなどの問題は発生していないことがわかります。
次に、JTAG端子にUSB-Blasterを接続して、Quartus PrimeからCPLDが正しく認識できるか確認してみます。
「Programmer」のソフトで「Auto Detect」のボタンをクリックします。するとJTAGに接続されているデバイスをスキャンします。画面に「5M160ZE64」が接続されていると表示されました。無事CPLDが認識されました。ボードは動いていそうです。
次は、LEDが光るプログラムを書き込んでみます。
これも無事にLEDが流れるように光りました。
PCBWayの基板とステンシルを使ったCPLDボード「5M160nano」の動作確認ができました。動作確認ができたので、ちょこっと量産してみます。
ちょこっと量産
作業内容な先ほどと同じです。先ほどは4枚面付けした基板のうち、2枚だけを実装しましたが、今回は全部実装していきます。
電動バキュームピックで、実装していきます。ピンセットだと相当時間がかかってしまいますが、電動バキュームピックのおかげて、スムーズに実装できました。
リフローします。先ほどのリフローでは、1005サイズの部品がリフロー中に向きを変えてしまう現象が起きたので、低温時間を長めにして、はんだペーストと部品がなじみやくすなるようにしてみました。
70度5分、100度3分、130度2分、160度1分でリフローしてみました。
いい感じです。綺麗にリフローできました。
JTAG端子にUSB-Blasterを接続して、Quartus PrimeからCPLDが正しく認識できるか確認しましたが、全て正しく認識されました。
全て動作確認もできて、ちょこっと量産も大成功です。
PCBWay基板とステンシル完璧です
PCBWayで初めて5milの線幅のちょっと複雑な基板と、ステンシルと発注してみましたが、完璧な出来でした。
無事、ブレッドボードに刺さるMAX V CPLDの「5M160nano」ボードが完成しました。これで、CPLDの実験がとてもやりやすくなりました。クロックが載っているというのも地味に便利です。
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