RP2040を使った電子工作や基板作成ができるように、練習としてRP2040ボードを作ってみることにしました。

最小構成のサンプルボード

ファイルのダウンロード

Raspberry Pi Datasheetsのサイトに、様々なデータシートがアップロードされています。

その中に、pr2040/Minimal-KiCAD.zipというファイルがあります。

このzipファイルには、最低限必要な回路で構成されたPR2040ボードのKiCADのデータが含まれています。

開いてみる

RP2040_minimal.proをKiCADで開いてみます。

RP2040とUSBコネクタ、レギュレータ回路、Flashメモリ、発振回路、コネクタだけで構成された、最低限の回路となっています。

このKiCADデータには、CPUを含め各パーツのフットプリントも入っていて、アートワークも完了しています。

このボードのフットプリントライブラリを使い、オリジナルのPR2040ボードを作っていこうと思います。

回路を作る

Raspberry Pi Picoよりも小さなボードにしたいので、SparkFunのPro Microと機能やピン配置が似たような、なるべく小さなボードにしたいと思います。

CPU周辺の回路

バイパスコンデンサや抵抗など、RP2040_minimalのままとしました。

USB

USBはUSB Type-Cに変更しました。ボードのサイズを小さくしたいので、レギュレータはSOT23の小さな物に変更しました。

Flashメモリ・発振回路

Flashメモリと発振回路も、RP2040_minimalのままとしました。

スイッチ・LED

マイコンボードで実験する上で、ブートスイッチとリセットスイッチはあった方が便利なので、追加しました。

また、SparkFunのPro Microと同じように、ネオピクセルLEDを追加しました。

I2C・デバッグポート

SparkFunのPro Microには、I2CのQwiicコネクタが付いています。本ボードにもI2Cのインタフェースを追加します。

また、デバッグもするかもしれないので、デバッグポートも用意します。

IOピン

IOピンは、SparkFunのPro Microと同じピン配置としました。

parkFunのPro MicroにあるQwiicコネクタのI2CもIOピンに出力したかったので、下部に2ピン拡張しました。

そのため、右下にI2CのSCLとSDAを追加し、左下にGPIO10と11を追加して、合計28ピンとなりました。

アートワーク

1ボード

コンデンサや抵抗は実装しやすい0603(1608M)に統一しました。また、IOピンにGPIOの番号のシルクを入れたかったので、基板の幅が少し広くなってしまいました。

部品でいっぱいの基板になってしまいました。IOピンのシルクを無くせば、両サイド1ピンくらいボ狭いボードを作れそうです。

面付け

基板屋さんに発注するときに、10cm x 10cm以内であれば安価に作ってもらえます。そこで、そのサイズ以内で面付けします。ちょうど横4つ並べると10cm以内になりました。

基板の周辺には、メタルマスクとの位置合わせをするための穴が開いています。この穴のデータの作り方はこちらをご覧ください。

PCBWayに発注

面付けした基板の全てが良品となっている基板を納品してくれる、PCBWayに基板を発注します。

パラメータの設定

面付け基板なので、基板の種類を「面付け」にします。

PCBWayは、面付けされた子基板に不良を許すか許さないかを設定できます。面付けされた基板のうち1つでも不良があるとその子基板は使えず、一度にリフローできる子基板の数が減ってしまって嫌なので、私はいつも「いいえ」を選んでいます。

今回、配線が高密度だったので配線幅を普通よりも狭くしました。そのため、最小パターン幅を6milから5milに変更します。

この基板を、別の基板に実装できるように、基板の端面に端面スルーホールというメッキの壁を作ってもらいます。そのため、端面スルーホールのオプションをONします。

メタルマスクも一緒に作ってもらいます。

今回は0.4mmピッチのRP2040が実装されるので、RP2040のはんだブリッジが起こりにくくなるよう、はんだの量を減らすためメタルマスクの厚みを0.1mmと薄くしました。また、メタルマスクの開口もKiCADのの設定で0.05mm狭くしてあります。

また、画鋲で基板とメタルマスクを位置合わせするための穴が開いて欲しいので、「既存の基準点」を「レーザーが通る」に設定します。

メタルマスクはそのままのサイズだととても大きいです。そのため、いつも基板のサイズ+5cmくらいにカットしてもらっています。「その他の特殊加工」の欄に150mm x 150mmにカットしてもらうようメモを書いておきます。

以上で設定が完了です。カートに入れてガーバーファイルをアップロードします。

レビュー

PCBWayによって、データのチェックが始まります。PCBWayはこのレビューの時間がとても短時間に完了します。今回は3分程度でレビューが完了してしまいました。他の基板製造会社では数時間かかることもあります。

レビューが完了すると、メールが届きます。

支払い

レビューが終わると支払いに進むことができます。発送先、支払い方法、配達業者を選びます。いつもは速さを優先してDHLを選択していますが、今回は安さを優先してOCSを選んでみました。さて何日で届くでしょうか。

Beansを使ってみる

長らくPCBWayを使っていたので、リワードのBeansが貯まっていました。そこで、PCBWay StoreでPCBWayのグッズを購入してみます。

基板でできた定規です。違う色の物を持っているのですが、これ基板を設計するときにとても便利なので、届いたら紹介しますね。

私はまだ利用したことがないですが、PCBWayは3Dプリントのサービスも提供しています。3Dプリンタでこんな綺麗な造形ができるんですね。実物が見てみたいので注文してみます。

PCBWayオリジナルTシャツです。現在日本で流行っているゆったり系と違って、腰にくびれがあって細身に見えそうな私の好みのフォルムです。もう秋になってしまいましたが、クール素材を使っているこだわりのオリジナルTシャツのようです。

基板の発注完了

以上で発注完了です。

さてRP2040ボードはうまく動作するでしょうか。

PCBWayグッズもとても楽しみです。