久し振りの半田付けだ。
前回記事⤵️で紹介したように、ワテもいよいよPICマイコンに本格的に挑戦することにしたのだ。
前回記事ではPIC32MKマイコン用の汎用基板をKiCad9で設計して、PCBWayさんにプリント基板を発注するまでの作業過程を紹介した。
その基板がPCBWayさんへの発注からわずか一週間ほどで自宅に到着した。
便利な時代になったもんだなあ。
と言う事で、早速半田付け作業に取り掛かった。
当記事はその作業過程を紹介したい。
表面実装部品の手作業による半田付けや、ホットプレートを使ったリフロー方式の半田付けの手法を紹介したい。
では本題に入ろう。
PCBWay製の両面スルーホール基板の紹介
下写真が一週間で自宅に到着したPCBWay製プリント基板の小箱だ。
日本で秋月電子、マルツオンライン、共立エレショップさんなどに通信販売で部品を注文しても自宅に届くまで一週間くらいかかる。
それに比べて、海外のPCBWayさんから両面スルーホール基板が一週間で自宅に届くのだから驚異的だ。本当に有り難いサービスだ。価格も格安だし。
今回は海外配送業者はFedexを指定して注文していて、日本国内は日本郵便さんの配達だった。
写真 PCBWayさんから届いた小箱
下写真のように小包を開封すると十分なクッション材に包まれてプリント基板が入っている。
写真 PCBWay小箱の中のクッション材で保護されたプリント基板
今回は二種類のプリント基板を発注していた。各5枚、合計10枚だ。
PCBWayさんの場合、プリント基板面積が 10x10cm2 以下なら5枚や10枚の発注なら5ドルと言う格安料金だ。
下写真がPIC32MKマイコン用の実験基板だ。
写真 左：PIC32MKマイコン汎用基板、右：PIC部のみ分離した基板（表）
下写真は裏面だ。
写真 左：PIC32MKマイコン汎用基板、右：PIC部のみ分離した基板（裏）
上写真のように基板裏面にも表面実装部品（SMD）を半田付けするようにしている。
SMD部品の場合、リード線が無いので基板に半田付けする場合にはスルーホールが不要だ。
その結果、基板の表裏に多くの部品を半田付けすることが出来るので、高密度に部品を配置出来るメリットがある。
そのような手法を使って今回作成した基板のサイズは 10x10cm2 にすることが出来た。
下写真はTQFP64ピンのPIC32MK1024GPK064を半田付けする場所だ。
写真 TQFP64ピンのPIC32MK1024GPK064を半田付けする基板パターン
ただし、上写真の場所にTQFP64ピンPIC32MK1024GPK064を半田付けすると、そのPICマイコンは他の基板で利用出来ない。
なので、上写真のようにPICマイコンの周囲には16pin(2×8)のピンソケットを4個取り付けられる構造にしている。
一方、下写真の小型基板はPIC32MKのTQFP64基板パターンの部分を取り出したものだ。
写真 PIC32MKマイコンQTFP64をDIPピンに変換する基板
上写真の基板にPICマイコンを半田付けして、かつ、周囲には16pin(2×8)のピンソケットを半田付けする。そのピンソケットはピンの長さが10mmくらいあるタイプなのだ。
そのようにして作成したPICマイコン基板を、最初に紹介した汎用実験基板のPICマイコン部のソケットに脱着出来る。その結果、PICマイコンを色んな基板に差し替えて実験出来る。
下写真は電源回路付近の基板パターンだ。
写真 電源回路付近の基板パターン
上写真で分かるように、表面実装部品（SMD）やスルーホール部品を混在して半田付けする基板レイアウトにしている。
半田付けパッドの仕上げは有鉛半田メッキ指定でPCBWayさんに発注していたが、上写真のように綺麗な光沢のある有鉛半田メッキ仕上げになっていることが分かる。
今まで数十回にわたりPCBWayさんに両面スルーホール基板を発注しているが、自宅に届いたプリント基板の品質に関して不具合などのトラブルは一度も経験していない。
シルク印刷文字は文字サイズ縦横1mmで指定しているが、シルク文字がかすれるなども無いし。場所によっては文字サイズ縦横0.8mm指定の場所もあるのだが、それくらい小さな文字でもちゃんと印刷されるのは驚きだ。
SMD部品をホットプレートを使ってリフロー式半田付け
では早速半田付け作業に取り掛かる。
SMD部品の半田付けは手半田付けで行っても良いが、今回発注した基板に一箇所だけ使っている三端子レギュレータ（3.3V生成）は大きな電極があるので、その部分の半田付けは手半田付けするのは困難。
なので、家庭用のホットプレートを使って簡易リフロー方式による半田付けを行う（下写真）。
写真 家庭用ホットプレートを使って簡易リフロー方式による半田付けを行う
まず下写真のように三端子レギュレータを半田付けする電極パッドに半田を盛っておく。
写真 三端子レギュレータの背面電極パッドと二箇所の足の部分に半田を盛っておく
次に、下写真のようにホットプレートにプリント基板を載せて加熱開始。
写真 ホットプレートにプリント基板を載せて加熱開始
上写真で、ホットプレート上に5mmほどの糸ハンダが乗っているが、その半田が溶ければホットプレートが適温に近づいてきた事が分かる。
下写真のようにその5mmの糸ハンダが溶けて丸まった。
写真 ホットプレート上の糸ハンダが溶けて丸まったらそろそろ良い温度
下写真のように三端子レギュレータをピンセットで摘んで、所定の位置に持って行く。
写真 三端子レギュレータをピンセットで摘んで半田パッドの位置に持って行く
数十秒後くらいに半田が溶けてくるので、爪楊枝を使って三端子レギュレータを所定の場所に位置合わせする。
この場合、溶けた半田の表面張力に引っ張られて三端子レギュレータが自動で良い位置に移動するので、爪楊枝で付かなくても良い場合もある。その辺りは臨機応変にやればよい。
長時間加熱すると熱で部品を破壊する危険性もあるので、すみやかに基板をホットプレートから取り外し、冷却させる。下写真では作業机の上に敷いているダンボールの上で基板を冷却している様子を示す。
写真 作業机の上に敷いているダンボールの上で基板を冷却
下写真は実体顕微鏡を使って、三端子レギュレータの半田付けを確認している様子を示す。
写真 実体顕微鏡を使って三端子レギュレータの半田付けを確認
上写真のように、三端子レギュレータが所定の場所に良い具合に半田付けされているのが分かるだろう。
このように家庭用ホットプレートを使った簡易リフロー方式の手法はお手軽で失敗も無いのでお勧めだ。この方式なら何度まで加熱して、何十秒間加熱すべきか、などと考えなくても良い。
なお、ここで紹介した手法では最初からホットプレートに基板を置いて加熱していくのではなく、ホットプレート上に置いた糸ハンダが溶けてからプリント基板をホットプレート載せている。
その理由は三端子レギュレータを加熱する時間をなるべく短くして、熱で部品を壊すリスクをできるだけ減らしたいから。
電源部の動作確認成功
3.3V三端子レギュレータの半田付けは完了した。
電源関連の作業で残りは5V出力のDCDCコンバーターの半田付けと、自作の外部電源から供給される(-15V)-GND-(+15V)と言う両電源を接続する為のD-SUB15オスソケットの半田付けだ。
それらの作業も下写真のように完了したので、さっそくD-SUB15メスソケットで電源を供給してみた。D-SUB15ソケットに刺さっているのがワテ自作の外部電源だ。(-15V)-GND-(+15V)が供給されている。
写真 自作外部電源を接続して5V出力DCDCコンバーターや3.3V三端子レギュレータ動作確認
(-15V)-GND-(+15V)の両電源の、+15VをDCDCコンバーター入力に入れて、5V出力を得る。
その5Vを三端子レギュレータ入力に入れて、3.3V出力を得る作戦だ。
下写真のように無事に5Vや3.3Vを得ることが出来た。
 |
 |
| DCDCコンバーターに15V入力して5V出力 | 三端子レギュレータに5V入力して3.3V出力 |
写真 無事に5Vや3.3Vを得ることが出来た
電源回路は電子工作の基本なので、とりあえず電源が動作して一安心だ。
ここで休憩した。
TQFP64ピンのPIC32MKマイコンを手半田付け
では、いよいよPIC32MK1024GPK064と言うTQFP64パッケージのPICマイコンを半田付けする。
写真 PIC32MK1024GPK064(TQFP64パッケージ)を半田付けする
上でも説明したようにこのPIC32マイコンは緑色の汎用実験基板に半田付けしても良いが、今回は青色のPIC32マイコン専用の脱着式基板に半田付けする。
なお、本題から少し反れるが、下写真は汎用実験基板のPIC32MK半田付け用のTQFP64パッドの拡大写真だ。
写真 汎用実験基板のPIC32MK半田付けTQFP64パッドの拡大
上写真を見ると、細長い多数の半田付けパッドがあるが、その中心付近に点状の接触痕が確認出来る。殆どすべての半田付けパッドにこの痕跡があるのだ。
ここからは推測だが、恐らくPCBWayさんではプリント基板が完成したら、その基板がガーバーデータの設計図通りに正しく作成されているのかどうか確認するために、基板上の任意の二点間をテスターで導通確認するなどの方式で品質チェックをしているのだと思う。
そのような自動検査装置のコンタクトピンが半田パッドに接触した痕跡が上写真の接触痕だと思う。アドバンテストのLSIテスターみたいなやつだ。
下写真は14ピンの四回路入りオペアンプを半田付けする箇所だ。
写真 14ピン四回路入りオペアンプ半田付け予定箇所
上写真でも幾つかの半田パッドにプローブ電極ピンの接触痕らしきものが確認出来る。
さて、本題に戻ってPIC32MKを半田付けする。
TQFP64の2箇所のピンを半田付けして固定する
このPIC32MKマイコンは64ピンもあるが、一気に半田付けするので64ピンでも100ピンでも作業は同じだ。
まずは、右上と左下の電極ピンに半田を少し盛っておく。
写真 右上と左下の電極ピンに半田を少し盛っておく
下写真のように、PIC32MKマイコンの一本の電極をそこに半田付けした。
写真 PIC32MKマイコンの一本の電極をそこに半田付けして固定
同様に反対側の電極も半田付けしてPIC32MKマイコンを仮固定する。
これで位置合わせが完了だ。
なお、このあとの作業をやりやすくするために、下写真のように軽くて動きやすい小さな基板を木製の台座にマスキングテープで固定しておく。
写真 軽くて動きやすい基板は木製台座にマスキングテープで固定しておく
半田付けを上手にやるには、不安定な要素をなるべく減らすのが良い。
軽い基板はうっかり手が当たると簡単に動くので木製台座に貼り付ける。
そうしておけば台座を動かせば基板の向きを変えやすいので、半田付け作業がやりやすい。
そう言う手間を掛けるのが面倒だからと言って手抜き作業をすると、無理な姿勢や不安定な状態で半田付けすることになり、結局は半田付けが汚くなるなどの失敗をしてしまう（ワテの場合）。
なので、半田付けを上手に行うなら、事前に入念に作業環境を整えるのが良い。
TQFP64ピンを一気に全部半田付けする
TQFP64ピンの2箇所を半田付け固定出来たので、下写真のようにフラックスをタップリと塗布して、半田付けに取り掛かる。
写真 フラックスを塗ったPIC32MKのTQFP64パッケージ
ここで使うハンダゴテは下写真のHAKKOのやつだ。コテ先は円錐を斜めカットしたタイプで、細めで小型のやつを使っている。半田は千住金属工業の鉛入りで0.6Φだ。
写真 HAKKOのコテ先（円錐を斜めカットしたタイプ）細めで小型のやつを使う
下写真のように64ピンすべての電極を半田付けした。各ピンを1つずつ素早く半田付けして行ったので、中には隣とブリッジしてしまっているピンも数カ所あるが気にしない。
写真 64ピンすべての電極を半田付けした
下写真はブリッジの様子を示す。
写真 ブリッジの様子を示す
余分な半田を取り除く
半田ブリッジを取り除くには半田吸い取り線が最適だ。
写真 半田ブリッジを取り除くには半田吸い取り線が最適
ここでは下写真の太めのコテ先を使う。HAKKOのD型タイプのコテ先だ。
写真 太めのコテ先（HAKKOのD型タイプ）を使う
なお、半田吸い取り線は使い古した箇所はドンドン切り捨てて、未使用部分をドンドン使うのが良い。下写真のような箇所はニッパーで切り捨てる。
写真 半田吸い取り線は使い古した箇所はドンドン切り捨てる
さて、下写真は半田吸い取り線を使って余分な半田を吸い取ったあとの様子を示す。
写真 半田吸い取り線を使って余分な半田を吸い取ったあとの様子
上写真を見ると半田が少ないので吸い取り過ぎたようだが、まあ多すぎてブリッジするよりは良いので、これで良しとする。
小型のSMD抵抗やコンデンサを手半田付けする
64ピンPIC32MKの半田付け作業に成功したのでホット一息だ。
あとはSMDタイプの抵抗やコンデンサの半田付けだ。
ワテの場合はSMD抵抗やコンデンサは基本は3216Mサイズを使うようにしている。
つまり 3.2×1.6 mm と言うサイズになる。
写真 3216Mサイズの0.1μF（50V）セラミックコンデンサ
ワテの場合は下写真のように爪楊枝でチップ部品を押さえながら半田付けしている。
写真 爪楊枝でチップ部品を押さえながら半田付けしている
しかしながら、チップ部品は軽くて小さいので少しでも強めに押さえるとズルっと滑ってしまう。
その結果、下写真のように失敗することもある。
写真 爪楊枝で押さえる力が強すぎて位置合わせに失敗
そこでやり方を変えることにしてみた。
下写真のように、爪楊枝の頭の部分をチップ部品の上に載せて重みで固定する方法に変更した。
写真 爪楊枝の頭の部分をチップ部品の上に載せて重みで固定
上写真のように爪楊枝の重みでチップ部品を固定しておくと、余分な力は加わらない。
今までは左手で爪楊枝を持ってチップ部品を押さえながら、右手で半田付け。それも実体顕微鏡を覗きながらの作業なので、非常にやりづらかった。
それが上写真の爪楊枝の重みで押さえる方式に変更したら、左手は自由になるので、半田付け作業に集中できるからやりやすい。
と言う事で、爪楊枝の重みでチップ部品を押さえる作戦はお勧めだ。
ただし爪楊枝は転がりやすいので、爪楊枝に代わる何か転がりにくい代替ツールを探している。
100均辺りで探してみるか、あるいは自作しても良いが。
下写真は47Ωで3216M(1206)サイズの抵抗だ。ワテはナイロン袋に収納する方式でチップ部品を整理整頓している。
写真 ナイロン袋にチップ部品を整理整頓
このナイロン袋収納方式は大量のチップ部品をコンパクトに収納出来るのでお勧めだ。
下写真は4回路入りオペアンプの半田付け作業だ。
この場合も、爪楊枝の胴体部分の重みでオペアンプが動かないように押さえておいて、14本のピンを半田付けした。
写真 4回路入りオペアンプを爪楊枝の胴体部分の重みで動かないように押さえて半田付け
ちなみにこの4回路入りオペアンプの用途は、PIC32MKの内蔵ADCやDACはアナログ信号は0-3.3Vの範囲しか扱えないので、それだと不便。
なので、ADC入力なら±15V範囲の信号を0-3.3Vにレベル変換・ゲイン変換してADCに入れることで、±15V範囲の信号を観測出来る。
逆にDAC出力なら0-3.3V範囲の出力信号を±15V範囲にレベル変換・ゲイン変換して外部に出力する。
そう言う回路をオペアンプで実装してみたのだ。
半田付け完了したPIC32MK汎用実験基板とPIC脱着式基板
と言う事で、下写真のようにPIC32MKマイコンの半田付けがほぼ完了した。
写真 PIC32MKマイコン脱着式基板
上写真では2×8(16pin)のソケットが4個あるので、合計64ピンの信号をこのソケットに取り出している。
一方、下写真のように電極ピンは10mmの長さがあるので、ソケットに差し込む事も可能なのだ。
写真 PIC32MKマイコン脱着式基板（裏面）
上写真のように基板裏面には電源のパスコン（バイパスコンデンサ）を数個と、外部クロック用の発振子などを取り付けている。
下写真はPIC32MK汎用実験基板だ。まだ半田付け途中だが。
写真 PIC32MK汎用実験基板（半田付け途中）
下写真が完成形で、PICkit5など接続してLEDチカチカ実験をやっている様子を示す。
写真 PIC32MK汎用実験基板の完成形（PICkit5など接続してLEDチカチカ実験）
まとめ
久し振りの半田付け作業だったが、数時間で完了した。
当記事ではワテ独自設計のPIC32MKマイコン用の汎用実験基板と、PICマイコン部の単体脱着可能基板の半田付け作業を紹介した。
最初に電源部の半田付けを行い、正常動作を確認。
次にPIC32MK（TQFP64）パッケージの半田付け作業。
そして、4回路入りオペアンプやSMD抵抗やコンデンサの半田付け作業を完了した。
さて、肝心の動作確認であるが、詳細は次の記事で紹介するが、とりあえず大きなミスは無さそうである。
なぜならば、この実験基板にPICkit5を接続してMPLAB X IDEを起動すると、PICkit5経由でこの基板に乗っているPIC32MK1024GPK064を無事に認識出来たので！
素晴らしい。
（続く）
コメント