間違いだらけの基板開発

だいたいの部品を実装して動作確認しています。

作ってみたらボロボロで。リセッタブルヒューズがコネクタに近すぎるとか、レギュレータのピン配置が左右逆とか、EEPROMをSOICとTSSOP発注し間違えて乗せられないとか、問題は様々ありました。でも一応動いた。

動画は、まだI/OピンをON/OFFするテストファームのときのものだけど、今はちゃんと12V電源の電圧を監視して、電源ONしたりシャットダウンしたりウォッチドック機能でリブートしたりすることができています。raspberry pi側でもWiringPiなどでデーモン開発しましたが、そこらへんのサンプルは機会があればいずれ公開します。

ここまでのまとめ

半田こても数年ぶりに握ったくらいのレベルの人間が、Raspberry Piのコンパニオン基板を企画し、回路をブレッドボードで試作しながら、40の手習いで覚えたCADソフトでガーバーデータを作成し、どこにドリルホールがあるのかさえわからないまま基板屋に発注し、TSSOPの手はんだをし、テスターだけで電気チェックをし、mbedでファームウェアを開発し、実基板に書き込んで、raspberry piを外部から電源供給できる基板ができた！というのは

ささやかな感動巨編

と言っても過言じゃないと思うんだ。うん、自己満足だけどネ（＾＾；

ここ最近はもっぱらサーバサイドのソフトウェア開発しかやっていなかったロートルとしては、技術者としての視野はだいぶ広がった気がします。

オシロくらいはないとダメだなとか、Eagleの部品ライブラリももっと充実させたいとか、DIP部品は手付けは確認しながらだと半日仕事だから表面実装部品とホームリフロー炉に変えたいとか、手半田の技術もまだまだだなとか、テストピンをもっと載せればよかった、あのセンサーも載せればよかった、それこそ大量に反省はあるけど・・・

いずれは他人が欲しがるようなハードウェアを開発してみたいもんですね。

FusionPCBから基板が届いた

時系列は以下の通り。

• 9月8日 発注
• 9月13日 Status: Processing
• 9月24日 Status: Traceable
• 9月28日 基板到着

・・・・・え？早いよね？！Air Parcel（単なる国際郵便）なのに中４日で中国本土から日本まで届いちゃうのか。あ、もちろんたまたま運が良かっただけだと思いますが。１０枚作成頼んで$22、送料$9合わせて$31で基板届いちゃうんだから爆安じゃないですかー

基板の品質は？

それでは肝心の基板の品質はどーでしょう？

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ズ・レ・テ・ル(´・ω・`)！

ずれてるよ！・・・0.8mm以上

最初シルク印刷のずれかなと思ったのですが、各部品の穴位置とシルクは寸分違わずユニクラフト版と同じ。改めてガーバーデータを確認したけどシルクと外形データはずれてない。よく見ると、四隅のホールと長穴だけずれているから、より不可解。

素人考えですが、向こうが勝手に大基板の一部（たとえば大手の生産委託分の隅っこ）に面付けをして生産して、かつ、その面付けが間違っていた、とかですかねえ？？？

ユニクラフトさんは無料お試しで、長穴加工とか省略しているから、直接比較はできないんだけど、もちろん四隅のホールは全くずれていない。FusionPCB安い裏には何かある、って感じでしょうか。

それともこんなことは普通にあることなのかなあ・・・・正直、英語でクレーム言えるならやり直してもらいたいレベルなのだが。こっちのガーバーデータのミスかもしれないんで、せめてなぜズレが生じたか教えてもらえないかなあ。

あーお金ないのに憂鬱だー

基板に部品をハンダ付けしました

基板製造のユニクラフトさんから早めに基板が届いたので、一念発起して最低限の部品をハンダ付けしました。最大の難関はTSSOP28ピンのCPU(LPC1114)でした。この部品、わずか1cm弱のパッケージの片端に0.65mmピッチで14本ピンが生えています。定規を沿わせるとこんな感じ。

・・・・・・・( ﾟдﾟ)ﾎﾟｶｰﾝ

この！老眼に！見えるカッつーの！

必要なものと手順

色々試行錯誤しましたが、結果的に以下のものがあればハンダ付けできます。

手順としては以下のようになります。

1. ルーペで見ながらメンディングテープで厳密にチップ位置を修正
2. 足が基板に設置している箇所にたっぷりフラックスを塗る
3. こてを1秒くらい当てながら連続的にハンダ付け
4. ブリッジ箇所のピンの根元に吸い取り線を当てて吸い取る
5. こて先を良く掃除しつつ、１ピンずつタッチしてハンダ盛り

重要だと思ったのがハンダこてのワット数。このピンピッチだと、多少細いハンダを使ったところで必ずブリッジします(0.65mmしかないのですから)。ブリッジを解消するには、吸い取り線本体と、吸い取り線の下のハンダを溶かさなければなりません。この場合、暖める量が多いのでワット数が重要となります。私は通常HAKKO SR-40という40Wの半田ごてを常用しているのですが、どうやっても綺麗に吸い取れませんでしたので、仕方なく60W級のこてを買いました。

YoutubeにはいくつかTSSOP手付けの動画があがっているのですが、正直これらを見たところで、自分の老眼は何ともならんし、手はぶるぶる震えるし、綺麗にハンダも吸い取れないし、如何ともし難いですね。もっと練習すればウマクなるのかもしれませんが…

やはり、正道はPCBステンシル(メタルマスク)を作り、クリームハンダを塗布して、表面実装部品をリフローマシンで一気に溶かし付けることでしょうが、それにかかる費用をどうにも工面できないので、手付けしかないかな、と思っておるところです。カッティングマシンで紙のステンシル作るとか、ホットプレートリフローとかも興味あるんですけどね。

無料サービスに申し込んでみた

株式会社ユニクラフトさんの「unicraft紹介キャンペーン」に申し込んでみました。ブログで紹介すると、以下の条件の基板をタダで作ってくれるというあまりの太っ腹企画にめまいがしましたが、電子工作初心者としては十分な条件です。

• 基板サイズ100mm四方まで
• 両面（2層）まで
• 発注枚数3枚まで
• 基板形状長方形・正方形のみ

私はすでにFusionPCBに発注済みですが、ユニクラフトさんの品質を見てみたいという希望もあったので利用してみました。Raspberry Pi用HAT基板だと長穴加工があるので、普通の長方形基板に設計変更しました。

すぐにガーバーをアップしたのですが、受注等のやりとりのメールが（あたりまえだが）すべて日本語というのが、私のように英語読むのが苦手な人間にはなによりありがたい。

そしていきなり届いた

ちなみに、この紹介キャンペーンでは「納期：最大２０営業日」となっていますから、普通に考えれば１か月かかるなーって思うわけです。しかし９月１１日にガーバーデータをアップロードして、９月１９日にはヤマトの配達メールが来ました。早くない？！FusionPCBはやっとStatus: Processingになったところだというのに・・・・もちろん、これが紹介キャンペーンの「普通」という意味ではありませんので念のため（あくまで最悪は１か月かかるよ）。

届いた基板の品質は？

・・・・・なかなかに美しいではありませんか。表面実装部品用のパッドの半田盛り（HASL処理？）がやや過剰にも見えますが、これはDIPとSMD混在基板を書いてしまった私のせいだと思います。導通チェックは行ってくれないので、先ほどまでシコシコ短絡チェックしていましたが、特に問題なさそうであります。めでたい。

で、結局私が払ったのは宅急便の着払い代金656円だけでした。なんか申し訳ないですねコレ・・・ちなみに元の見積もりだと10,526円(送料無料)という条件のようなので、十分海外メーカーと渡り合えると思うのですがいかがでしょうか？どーしても激安でなければならない！ということでなければ。条件がかなり違いますがP板.comの1/16の値段ともいえます。

余談

ユニクラフトさん向けに設計し直している時に、こんなメールが来ていました。

設計を変更しました。部品実装サービスもできないので、表面実装部品を極力無くし、唯一LGAパッケージのボッシュの大気圧センサーは….とても手付けできるものではないので省略しました（；＿；）

あれ？気合いれてアニメGIFにしたのにWordpressだとうまく表示されないや。まあいっか。

海外業者の選定、悩んだんですがFusionPCBにしました。最安ではないものの、国内のアマチュア勢から発注実績があるのが大きいかなあーと。

情報が古いページが多かったのですが、今は基本的にWebページだけで、ガーバーデータの提出から決済まで何から何まで済んでしまうようです。メール介したりする必要性なし。

しかしすごいよねー2層基板、10cm角、基板厚1.6mm, 面付け無し、10枚作成で、$21.90。送料込みで$30.97だから3800円くらいP板.comの1/43の価格だよ！

１か月くらいかかるかな？それでも値段考えれば納得できる。できあがりが楽しみ・・・

今日は文字ばかりです。慣れないゆえの愚痴ばかりです。
ここまでの流れを整理すると以下のようになります。

* Raspberry piのHAT基板は65mm x 57mmしかない
* 600mil(15.24mm)のDIP版LPC1114が載せられなかった
* 仕方ないからLPC810x2を使おうかと思ったが無駄すぎる
* そうだTSSOP28ピン版LPC1114を使おう

何分にも基板など作ったこともないズブの素人、英語で海外業者に発注できるようには 思えなかったので、国内有名どころのP板com(http://www.p-ban.com/)さんの設計ルールで 作ってきました。部品実装サービスもあるみたいだから、表面実装部品はつけてもらおうかなーとか 不埒なことを考えていたのです。

やっと設計が終わり、ガーバーデータを作成して、いよいよ発注です。
ここで初めて（これが大失敗なのだが）Quick見積もりで、基板5枚分の
見積もりもらってみました。納期は一番急がないタイプで。

162,500円でしたwwwwwww

一瞬桁が間違ってるかと思いましたが、国内業者の少量生産はこんなものらしい。
到底、アマチュアには負担不可能な金額だわ。

自分で設計してからわかったことですが、パターン幅やパターン間のクリアランスなどの デザインルールは、業者さんの期待品質によってかなり異なるようなんです。運の悪いことに（？）P板さんは高品質な業者であり、その高品質向けに設計してしまった今の基板は、そのままでは海外業者には出せません。

もうね・・・・誰か教えておいてくださいよー（；＿；）

回路図ばかり引いていてもきちんと動くかどうかわかりません。とりあえずRaspberry Pi2に電力が供給できなければ基板を作る意味もありませんので、ブレットボードで電源回路を組んでみました。今回はソーラー＆カーバッテリーから5Vを生成しなければなりません。

使ったのは新日本無線のNJM2396F05、仕様上は1.5Aまで出せるリニアレギュレータです。200mA程度のRaspberry Piなら十分だろう・・・と思っていたのですよ。勝手に。

通電して数分すると焦げ臭い！ふとレギュレータをつまむとアイ熱ギャクォ痛アアアアアアアアアアアアア！ジュウウウウウウ！！！！！

そうです・・・仕様書を良く読まなかった以前に、アナログ回路屋の知識が全くない故のミスなのです。リニアレギュレータは価格の安さゆえに色々なところで使われています。しかし、こいつは電圧の落差分がそのまま熱になるのでした・・・・今回は12Vから5Vを生成する訳ですから膨大な熱が発生したという訳。

なので部品をDC-DCコンバータに替えました。MINMAX M78AR05-0.5という３端子リニアレギュレータとピン互換でコンデンサ以外の付属回路が必要ない優れものです。今のところRaspberry Pi2も問題なく(HDMI使っても大丈夫)動作しております。

こういうこと、事前に教えてくれる人いないっすかね？（＾＾；ほんま辛いわ。

ずいぶん間が空いてしまったのですがオフグリッドサーバ制作記の続きです。

今、Raspberry Pi2をソーラーパネル＆カーバッテリーで駆動するための電源基板の設計をしています。どうしてそんなものが必要か？という目的は過去のブログを読んでもらえるとよいと思いますが、仕様を簡単にまとめると以下のようになります。

1. 電圧を監視し続けてもバッテリーを殆ど消費しない超低消費電力
2. Pi2が動作中はPi2からも電圧をリードできる
3. 電圧が基準値を数分連続で上回ったらPi2に+5Vを供給開始
4. 電圧が基準値を数分連続で下回ったらPi2を安全に停止した後に+5V供給停止
5. Pi2が動作していなさそうならリセット発行（WatchDog機能)
6. 電源が落ちた状態でも数時間～数日後に再起動をトライできる(Timer機能)
7. Pi2に連動する12Vサービス電源出力を提供する(周辺機器用)

要するに、バッテリ直結だと、電池無くなるギリギリだと不安定になってOn/Off繰り返したり、いきなりばっつんと落ちてファイルシステム壊されたりすると困るわけです。
このような動作は、オフグリッドサーバだけに限らず、自律的に動く無人ボットにはあまねく必要なものです。参考：彗星探査機ロゼッタの着陸機 フィレー冬眠から復帰

とは言え、まだモノはできていません（汗；）
元々ソフト屋であって基板設計などしたこともありませんし、仕事でもOrCADでVMEのバックプレーンを設計したことがあるくらいで、デジタル回路を考えたこともありませんでしたから。

まず回路CADが必要だろうということで、DesignSparkPCB, CADLUS, EAGLEなどの試用版を試しました。そのなかでEAGLEが唯一素人にも使えそうだったので、これを使って回路図を書いています。

しかし・・・
Raspberry Pi2専用なんだから子亀(HAT)基板に載せよう、などと不埒なことを考えた時点で詰みました。せいぜいブレッドボードの延長で1層（片面）基板を想定していたのですが、
見ての通り、とても収まらないわけです・・・そんなに難しい回路じゃないと思うのですが。

いやーDIP部品って並べてみると大きいですね！　手配線で対処しようと思っているのですが、電源12V, 5V, 3.3Vの3種類混在していることが、より配線を難しくしています。

基板の部品選定・レイアウト・効率的な配線などは、ある程度ツールによる自動化が進んだ現代でも、やはりヒトの中にノウハウがあるんだろーなーということが実感できました。

さてどうしようか・・・・・・・・