Design für manuelles Prototyping und werfen Sie Ihre Fesseln ab

Der Begriff "manueller Prototypenbau" kann verschiedene Dinge bedeuten. Er könnte sich auf die Heimfertigung und Montage einer PCB beziehen, das Zusammenfügen von Modulen zu einem kleinen System oder einfach die manuelle Montage eines einfachen Prototyps. Wenn Sie eines Ihrer ersten Designs bauen, möchten Sie möglicherweise den Montageprozess von Hand durchführen. Weiterhin möchten einige Anfängerdesigner ihre eigenen Platinen mit einer hausgemachten Eisen(III)-chlorid-Lösung ätzen.

Generell kommt die Entscheidung für den manuellen Prototypenbau einer PCB auf die Kosten an. Es stimmt, dass die Eigenarbeit die Kosten in Bezug auf Geld reduziert, aber es erfordert Zeit und Mühe, etwas korrekt zusammenzubauen. Was auch immer Sie mit Ihren Prototypen vorhaben, es gibt einige einfache Schritte, um den größten Nutzen aus der Zeit zu ziehen, die Sie mit dem manuellen Bau Ihrer Prototypen verbringen.

Nützliche Tipps für den Entwurf bei manuellem Prototypenbau

Die unten aufgeführten Tipps sollten sicherstellen, dass Ihr Prototypendesign leicht montiert und konfiguriert werden kann, sobald Sie alle Komponenten platziert haben.

1. Besorgen Sie sich die richtige Ausrüstung

Zuerst einmal benötigen Sie die richtige Ausrüstung, wenn Sie etwas per Hand auf Ihre Prototypen-Platine löten möchten. Die manuelle Montage mit einem Lötkolben oder mit einer Heißluftpistole sind beide geeignete Optionen, oder Sie können den Weg von Mark Harris gehen und Ihren eigenen Reflow-Ofen bauen. Hier ist eine kurze Einkaufsliste:

• Lötstation mit mehreren Spitzen (wie JBC oder Weller)
• Heißluftpistole für SMT oder Nacharbeit
• Lötdraht und Lötpaste
• Lötflussmittel, entweder in einer Spritze oder in einem Stift löslich
• Entlötlitze für Nacharbeit
• Reinigungsmittel (Isopropylalkohol)
• Ein gutes Set Pinzetten für kleine SMD-Komponenten

Dies ist keine erschöpfende Liste dessen, was Sie in Ihrem Labor benötigen, aber es ist das, was Sie benötigen, um mit der manuellen Montage Ihrer Platinen zu beginnen.

2. Verwenden Sie die richtige SMD-Komponentengröße für passive Bauelemente

Viele manuelle Prototypen verwenden nur Durchsteckkomponenten, da diese leicht zu handhaben und von Hand zu montieren sind. Wenn Sie jedoch etwas mit moderneren digitalen Komponenten machen möchten, müssen Sie SMD-Komponenten verwenden, da diese die Standardverpackung für fortschrittlichere Geräte sind. Sie werden auch viele Steckverbinder, passive Bauelemente und Leistungskomponenten als SMD-Komponenten finden.

Für passive Bauelemente sind SMD-Passive in mehreren Größen erhältlich, wobei die kleinste 0201 (20 mil mal 10 mil) und die größte 2512 ist. 0201-Passive sind sehr schwer manuell zu löten, und es sollte Sie nicht überraschen, wenn einige dieser Komponenten mysteriös hinter Ihrer Laborbank verschwinden. Außerdem sind kleinere SMD-Komponenten sehr leicht zu verwechseln; seien Sie nicht überrascht, wenn Sie versehentlich SMD-Chipwiderstände mit derselben Gehäusegröße, aber unterschiedlichen Widerstandswerten vertauschen.

Gehen Sie nicht zu klein in der Größe.

Ich denke, es lohnt sich, etwas Zeit zu investieren, um herauszufinden, mit welchen Größen von SMD-Passivkomponenten Sie sich beim Platzieren und Löten von Hand wohlfühlen. Je kleiner Ihre SMD-Komponenten werden, desto weniger werden Sie in der Lage sein, diese einfach mit Ihrem Lötkolben zu löten, da sie zu klein sind; es ist besser, Heißluft zu verwenden. Wenn Sie einen Lötkolben verwenden müssen, dann ist es eine gute Idee, Ihre SMD-Pads länger zu machen, damit Sie sie mit einem Lötdraht und Lötkolben erreichen können.

3. Vermeiden Sie Ball Grid Array (BGA) Gehäuse, wenn möglich

Das Löten von Komponenten mit kleinem Abstand wie QFPs oder TSOPs kann schwierig sein, aber es ist definitiv möglich mit einem Lötkolben, und es ist viel einfacher mit Heißluft oder einem kleinen Ofen/Heizplatte. BGA-Gehäuse können nicht mit einem Lötkolben gelötet werden, einfach weil Sie keine Möglichkeit haben, alle Pads unterhalb der Komponente zu erreichen. Stattdessen müssen Sie für diese Komponenten Heißluft verwenden.

Das andere Problem bei BGAs in der manuellen Prototypenerstellung ist die Inspektion. Diese Komponenten werden normalerweise mit einem Röntgeninspektionssystem untersucht, da dies eine direkte Visualisierung der Kugeln unter dem BGA-Gehäuse ermöglicht. Sollte es ein Problem mit dem Prototyp geben, wird es schwieriger zu diagnostizieren sein, ob das Problem auf einen Montagefehler oder auf ein anderes Problem im System zurückzuführen ist.

BGA-Gehäuse - nicht das freundlichste für die manuelle Prototyperstellung.

Das heißt aber nicht, dass Sie die BGA-Verbindungen nicht trotzdem von der Rückseite der Platine aus prüfen können, solange Sie Durchkontaktierungen für das BGA-Fanout verwenden. Achten Sie darauf, dass Sie die Rückseite nicht abdecken, wenn Sie diese BGA-Verbindungen mit einer Multimeter-Sonde als Teil Ihrer Inspektion zugänglich machen möchten. Dies ist eine Möglichkeit, um überbrückte Pads in Ihrem BGA zu überprüfen, obwohl dies aufgrund der hohen Anzahl von Verbindungen, die typischerweise auf einem BGA zu finden sind, viel Zeit in Anspruch nehmen wird. Aus diesen Gründen könnte es am besten sein, BGAs auf Ihrer Prototypenplatine zu vermeiden und stattdessen ein alternatives, mit Anschlüssen versehenes Gehäuse wie QFP zu wählen.

4. Verwenden Sie thermische Entlastungen

Es wird Pads geben, auf die Sie versuchen, Lötzinn aufzutragen und mit einem Lötkolben oder einer Heißluftpistole eine Verbindung zu bilden. Das Problem ist, dass die Platine möglicherweise nicht überall auf der Platine eine einheitliche Temperatur aufweist und die Wärme von den Pads abgeleitet wird, wenn diese mit einer Ebene oder einem großen Kupferbereich verbunden sind. Das Ergebnis ist, dass der Lötkolben oder die Heißluftpistole möglicherweise auf eine sehr hohe Temperatur gebracht werden muss, nur um ein einzelnes Pad zu löten, und dies birgt das Risiko, die Platine oder Komponenten zu beschädigen.

Wenn Sie keine gute Heizplatte zum Löten oder keinen Ofen haben, kann dies durch die Verwendung von Wärmestopps verhindert werden. Das Platzieren von Wärmestopps auf bestimmten Pads wird helfen, die Wärmeabwanderung in große Kupferbereiche zu verhindern, sodass Sie leichter eine Lötverbindung am Bauteil bei niedrigerer angewandter Temperatur bilden können.

5. Nutzen Sie Testpunkte, Jumper und Lötbrücken

Der Zweck vieler Prototypen besteht darin, so viele Funktionen Ihrer Platine wie möglich zu testen. Das bedeutet, dass Sie einige Teile Ihres PCB-Layouts konfigurierbar machen möchten. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die Verwendung von Testpunkten, Lötbrücken und Jumpern. Diese Komponenten ermöglichen es Ihnen, Verbindungen herzustellen oder zu trennen, elektrische Werte zu prüfen, Messungen vorzunehmen und sogar Signale mit einem Oszilloskop zu messen. Mit einer richtig dimensionierten Lötbrücke im PCB-Layout können Sie sogar kleine SMD-Chipkomponenten bei Bedarf in Signalleitungen einlöten.

6. Zusätzliche I/Os auf Stiftleisten herausführen

Der andere Teil des Prototypenbaus besteht darin, Verbindungen mit anderen Systemen herzustellen oder Zugang zu I/Os zu erhalten, um sich mit anderen Entwicklungsprodukten zu verbinden. Deshalb ist es eine gute Idee, alle Ihre zusätzlichen I/Os zu Stiftleisten zu führen. Mit Zugang zu Ihren I/Os an Stiftleisten können Sie sowohl anwendungsbezogene als auch platinenbasierte Prototypen erstellen. Sie können sich auch mit externen Komponenten wie Sensoren, kleinen Motoren, LEDs, Tasten, Programmiermodulen oder allem anderen, was Ihnen einfällt, verbinden. Diese werden im Allgemeinen Low-Speed-I/Os sein, sodass Sie eine einfache Durchsteck-Stiftleiste verwenden können, um diese Verbindungen herzustellen. Ich empfehle, einen 22 Ohm SMD-Widerstand an den eingehenden I/O-Leitungen in der Nähe der Stiftleiste zu platzieren, um diese Signale leicht zu verlangsamen, da dies die EMI reduzieren wird.

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