マニュアルプロトタイピングのための設計と制約を解放する

「マニュアルプロトタイピング」という用語には、いくつかの異なる意味があります。自宅でのPCBの製造と組み立て、モジュールを組み合わせて小さなシステムを作ること、または単純なプロトタイプの手作業による組み立てを指すことがあります。最初の設計の一つを構築している場合、手作業で組み立てプロセスを行いたいと思うかもしれません。さらに、初心者の設計者の中には、自宅で塩化第二鉄溶液を使用して自分のボードをエッチングしたいと考える人もいます。

PCBのマニュアルプロトタイピングを行うかどうかの選択は、一般にコストに関係しています。自分で作業を行うことは、お金の面ではコストを削減できることは事実ですが、何かを正しく組み立てるためには時間と労力が必要です。プロトタイプに何を選択しようと、手作業でプロトタイプを構築する際に費やした時間から最大の利益を得るためのいくつかの簡単なステップがあります。

マニュアルプロトタイピングのための設計時の役立つヒント

以下に概説されたヒントは、すべてのコンポーネントを配置した後、プロトタイプ設計を簡単に組み立てて設定できるようにするのに役立つはずです。

1. 適切な機材を揃える

まず最初に、プロトタイプのPCBに何かを手はんだ付けしたい場合は、適切な機材が必要です。はんだごてを使用した手作業の組み立てや、ホットエアガンを使用する方法のどちらも適していますし、Mark Harrisの方法に従って自作のリフロー炉を作ることもできます。こちらが短い買い物リストです：

• 複数の先端が付いた手はんだごてステーション（JBCやWellerなど）
• SMTやリワーク用のホットエアガン
• はんだ線とはんだペースト
• シリンジまたはペンで分散可能なはんだフラックス
• リワーク用の除はんだウィック
• クリーニング剤（アルコール消毒液）
• 小さなSMDコンポーネント用の良質なピンセット

これはあなたのラボで必要となるものの網羅的なリストではありませんが、ボードの手作業での組み立てを始めるために必要なものです。

2. 受動部品には適切なSMDコンポーネントサイズを使用する

多くの手作業によるプロトタイプでは、扱いやすく手で組み立てやすいため、スルーホール部品のみを使用します。しかし、より現代的なデジタル部品を扱いたい場合は、これらがより高度なデバイスの標準パッケージであるため、SMD部品を使用する必要があります。コネクタ、受動部品、電源部品もSMD部品として利用可能です。

受動部品に関しては、SMD受動部品は複数のサイズで提供されており、最小が0201（20ミル×10ミル）、最大が2512です。0201の受動部品は手作業でのはんだ付けが非常に難しく、ラボのベンチの後ろにこれらの部品を不思議と紛失することがあるかもしれません。また、小さいSMD部品は非常に混同しやすく、同じケースサイズでも異なる抵抗値のSMDチップ抵抗器を間違えて交換してしまうことがあるので驚かないでください。

サイズはあまり小さくしすぎないでください。

手作業で配置およびはんだ付けを快適に行えるSMDパッシブ部品のサイズを確認する時間を取る価値があると思います。SMDコンポーネントが小さくなるにつれて、非常に小さいため、はんだごてを使用してこれらを単純にはんだ付けすることはできなくなります。その場合、ホットエアを使用する方が良いでしょう。はんだごてを使用する必要がある場合は、はんだワイヤーとごてで届くようにSMDパッドを長くすると良いでしょう。

3. 可能であればボールグリッドアレイ（BGA）パッケージを避ける

QFPやTSOPのような細かいピッチのコンポーネントのはんだ付けは難しいかもしれませんが、はんだごてを使用しても可能ですし、ホットエアや小型のオーブン/ホットプレートを使用するとずっと簡単です。BGAパッケージは、コンポーネントの下のすべてのパッドに届く方法がないため、はんだごてではんだ付けすることはできません。代わりにこれらのコンポーネントにはホットエアを使用する必要があります。

BGAを手動でプロトタイピングする際のもう一つの問題は検査です。これらのコンポーネントは通常、BGAパッケージの下のボールを直接視覚化できるX線検査システムで検査されます。プロトタイプに問題が発生した場合、問題が組み立て不良によるものなのか、それともシステム内の他の問題によるものなのかを診断するのがより困難になります。

BGAパッケージ - 手動プロトタイピングにはあまり友好的ではありません。

とはいえ、BGAファンアウト用のスルーホールを使用する限り、基板の裏側からBGA接続をプローブできます。検査の一環としてこれらのBGA接続にマルチメータープローブでアクセスしたい場合は、裏層をテントしないでください。これは、BGAのブリッジパッドをチェックする方法の一つですが、BGAに通常見られる接続の高い数のため、多くの時間がかかります。これらの理由から、プロトタイプボードでBGAを避け、QFPのような代替のリード付きパッケージを選択するのが最善かもしれません。

4. 熱リリーフの使用

アイロンやヒートガンを使用してはんだを塗布し、ジョイントを形成しようとするパッドがあります。問題は、基板全体に均一な温度がなく、パッドがプレーンや大きな銅の注ぎ込み領域に接続されている場合、熱がパッドから離れることです。その結果、単一のパッドにはんだ付けをするために、アイロンやヒートガンを非常に高温にする必要があり、これにより基板や部品が損傷するリスクがあります。

はんだ付け用の良いホットプレートやオーブンがない場合、熱リリーフの使用を通じてこれを防ぐことができます。特定のパッドに熱リリーフを配置することで、大きな銅領域への熱の移動を防ぎ、より低い適用温度で部品にはんだ付けジョイントを容易に形成できるようになります。

5. テストポイント、ジャンパー、およびはんだブリッジの使用を活用する

多くのプロトタイプの目的は、ボードのできるだけ多くの機能をテストすることです。これは、PCBレイアウトの一部を設定可能にしたいということを意味します。これを行う一つの方法は、テストポイント、はんだブリッジ、ジャンパーを使用することです。これらのコンポーネントを使用すると、接続の作成や切断、電気値のプローブ、測定の実施、さらにはオシロスコープでの信号測定が可能になります。適切なサイズのはんだブリッジをPCBレイアウトに配置することで、必要に応じて小型のSMDチップコンポーネントを信号線にはんだ付けすることもできます。

6. 追加のI/Oをピンヘッダーにブレイクアウトする

プロトタイプを作るもう一つの部分は、他のシステムとの接続を行うこと、または他の開発製品に接続するためのI/Oにアクセスすることです。これが、余分なI/Oをピンヘッダーに持ってくることが良いアイデアである理由です。ピンヘッダーへのI/Oアクセスを持つことで、アプリケーションベースのプロトタイピングだけでなく、ボードベースのプロトタイピングも行うことができます。また、センサー、小型モーター、LED、ボタン、プログラミングモジュール、または思いつくものなら何でも外部コンポーネントに接続することができます。これらは一般に低速のI/Oになるため、これらの接続を行うためには単純なスルーホールピンヘッダーを使用できます。ピンヘッダー近くの入力I/Oラインに22オームのSMD抵抗を配置して、これらの信号をわずかに遅らせることをお勧めします。これによりEMIが減少します。

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