よなよなリフロー: 極小レギュレータ MIC5524-3.3V

いまさらながら自宅でリフローできる環境を整えたで書いたとおり自宅に基板のリフロー環境をつくったので、早速ひとつ焼いてみました。

極小?レギュレータ?

レギュレータは指定範囲の入力電圧からビシッと指定電圧を生成してくれるパーツです。内部に昇圧機能を持たないものは出力よりも高い電圧を入力として動作します。製品特徴としてLDO(Low DropOut)を謳うものは、入出力電圧差が小さくても動作します(特性は通常データシートへ記載されます)。
今回リフローに利用したのは8pino設計者の方がQiitaに書いていたArduinoを自作して量産して販売する(超小型Arduino互換機 8pinoを例に)内で紹介されていた1mm角のレギュレータ、MIC5524シリーズの3.3V出力版(Micrel社)です。
Mouserで購入しました。データシートはhttp://www.mouser.com/ds/2/268/MIC5524_2pg-778803.pdfです。

1mm角??

1mm角というのは相当小さくて、表面実装向けパーツの寸法でいうと0404にあたります。これぐらいの寸法のパーツは普通抵抗やセラミックコンデンサなど2接点なのですが、このレギュレータは四隅に小さな接点を持ちます(図1)。中央はヒートシンク用のエリアが大きめに取られています。

図1 MIC5524のピンレイアウト(前述のデータシートより引用)

フットプリント作成

当然KiCadの標準ライブラリに含まれないパーツなので、ライブラリとあわせてフットプリントを自作します。
しかしこのレギュレータは変則的な形状のパッドを要求します。
KiCadではそもそも自由形状のパッドを作れません。パッド形状にポリゴンを当てる機能が内部的にでも存在すればデータファイルを手動生成して切り抜けられるところですが、残念ながら内部実装もないためカスタム形状の作成は困難です。
それでも台形のパッドは作成できるので、複数のパッドを組み合わせてひとつのパッドへと仕上げるゴリ押しはできそうです。実際、手元で台形パッドを組み合わせて推奨パターンに近いフットプリントを作成してみました。しかしpcbnewでの配線工程時に配線が全然くっついてくれません。どうも内部で合成したパッド同士が干渉して整合性エラーになっているような挙動でした。
パッドの合成方法が間違っているのかもしれません(くっついているパッド同士に同じ番号を振る必要があるかも)が、設計時は急いでいたため諦めて最低限のパッドのみを配置しました(結果: 図2)。

図2 MIC5524のフットプリント(試作)

基板設計

推奨パターンのフットプリントを作れなかったのがイマイチですが、基板設計はシンプルです。基本的に入出力端子の至近へ小容量のセラミックコンデンサを置くだけです。データシートに明記されている通り、タンタルコンデンサなどが不要でセラミックコンデンサを使えるのは嬉しいです(結果: 図3)。

図3 基板設計結果

発注から到着まで

リフロー用のステンシル作成の都合もあり、基板はElecrowで注文しました。他の基板と一緒にミシン目切り取り用の面付けをおこない、注文から8日程度で到着しました。

図4 完成した基板

外形の四隅にはステンシルの位置合わせ用にPCB設計上で0603のコンデンサをぽちぽちと配置してありますが、これらは実際には配線すらしておらず、実装しません。位置合わせは通常のリフロー手順でも何かしら必要なはずなので、定番の手法があるのかもしれません(どなたかご存知でしたら教えてください)。

ソルダーペースト塗りとパーツ配置

フットプリントデータの作成時から分かっていたことですが、レギュレータ本体のハンダ用パッドが本当に小さいです。
図5がステンシルの拡大写真です。上下に4つ大きな穴のように見えるのが0603のセラミックコンデンサ用の穴です。

図5 ステンシル

内側の四隅にあるパッドは0.25x0.32mmで、油断するとソルダーペーストがうまく抜けきらずステンシル側へくっついてきました。
都合、2回ソルダーペーストを拭ってやり直しました。
1mm角パーツは初めて扱ったため、ピンセットとルーペを利用してもなかなか思うように移動できませんでした。特に、「どこへ配置するのが正しいのか」が分かりづらく、最終的にえいやっと載せました。
後から考えると今回は完全にシルクの作り方をミスっていました。自宅リフロー向けのシルク印刷は「どう描けばパーツを載せるための最良のガイドとなるか」を考えて作り込むべきですね。
ルーペを覗き込みつつパーツを載せていく段階では、真上からパーツを降ろしていく形を取ります。遠近感がうまく掴めずに「あれ、まだ基板面じゃないんだっけ?」と混乱することが何度かありました。一度ターゲット領域の近くの非ソルダーペースト領域へパーツを置いてみて遠近感を補正するのが良いと思います。

図6 ソルダーペーストを塗った状態

図6は2回失敗した後の最終版の写真で、中心の極小パッド5点へ確実にペーストを載せるべく少々力押しをしていました。このとき力の掛け方を失敗したためか、周辺のセラミックコンデンサ用パッドでペーストが染み出したように溢れています。ステンシルへ均一に力をかけつつ塗布するのにもいくらか経験が必要そうです。

リフロー

例のグリル鍋ベースのリフロー機へ投入し、様子を見つつ15分ほど(冷却込み)で完成しました。今回、特殊な手順はありませんでした。

リフロー結果

図7 できあがった基板の拡大写真

パーツ配置時の終盤に諦めながら置いたため、正直なところ失敗したと思っていました。しかし想像以上にきちんとはんだ付けされており(図7)、動作も確認できました(図8)。

図8 動作テスト結果

ここでは、microUSBコネクタを基板上に形成する実験で作ったmicroUSBコネクタから5.18Vの電源を拾ってレギュレータで3.3Vを生成してみました。やはりあのmicroUSBコネクタはプロトタイプ向きだな、と感じました。
ステンシルの都合上、載ったハンダ量もギリギリの少なさのはずです。うまくいったのはおそらく、ソルダーペーストの品質が良いためだと思います。

松尾ハンダのソルダーペースト

自宅リフロー環境を整える際に結構困ったのが、ソルダーペースト(クリームハンダ)の入手です。Amazonのマーケットプレイスに少量品があるものの評判悪いです。aitendoでも同品を扱っていたようですが、欠品していました(廃盤?)。当然ながら秋月や千石でも入手できず、サンハヤトの品はあくまでも手ハンダ用のペーストです。
経験値が低い中でいきなり極小レギュレータという高難易度パーツを利用しているので、ソルダーペーストには良い品を使いたいという考えもありました。そんな中、松尾ハンダではソルダーペーストを個人にも販売してくださるという噂を聞きつけて早速見積もり依頼を出し、FLF01-BZ(L)を購入しました。
ソルダーペーストの相場を考えるとおそらく若干高めの価格なのですが、国内の評判良いメーカーさんで鉛フリーかつ高品質仕上がり、そして品質保持のためにクール便で配送してもらえるというのを考えるとものすごく安いと思います。出荷パッケージとしては250gと500gのボトルがあり、500gを有効期限(製造から半年間)内に使い切れる気がしないので今回は250gボトルをお願いしました。先方でかかる見積もり/発送/経理系の手間を考えると明らかにほとんど利益が出ない価格です。少量注文で申し訳ないなぁという気持ちと共に、しっかり対応頂けたことにひたすら感謝しました。

図9 松尾ハンダのソルダーペースト(鉛フリー)

ソルダーペーストは冷蔵保存して硬くなったものを利用前に数時間室温で置くのが定石のようです。液体と固体を何度も行き来させると、フラックスがどんどん揮発していってしまいそうなので、到着後なるべく急いで手持ちのビンへ小分けしました。

図10 手持ちビンへの小分け

きちんと計っていませんが、160g/60g/30g程度に分けてIKEAの保存バッグへ入れました。冷蔵庫内の低温でもフラックスが揮発していくようなら容器内の空き体積が増えた分だけ逆効果(ソルダーペーストの寿命を縮める)な可能性もありますが、このあたりはやってみないとなんとも、です。
ハンダ面が分かりやすい写真は図11です。

図11 ハンダ面の拡大写真

想像以上にきれいに付きました。

microUSBコネクタを基板上に形成する実験

8pinoすごい

今年のMaker Faire Tokyoで遅ればせながら購入した8pino(図1)、いろいろと良いところがあります。なかでも特に良いと感じたのが「そのままmicroUSBケーブルへ挿せる構造」です。

図1 8pinoの外観

8pino設計者の方による解説がArduino Advent Calendar 2015のArduinoを自作して量産して販売する(超小型Arduino互換機 8pinoを例に)エントリにあるので参照してください。とても勉強になります。
8pinoの良さはここで語り尽くせないほどあるのですが、電源周りについてもクールなところが盛りだくさんです。今回は前述の、microUSBケーブルとの組み合わせで使い勝手がとても良いという点に注目しました。

試作基板にはなるべくmicroUSB-Bコネクタがあってほしい

microUSB(とUSB Type-C)ケーブルさえあれば大体の電源事情を解消できそうな昨今、試作基板にもスナックにmicroUSB風のコネクタが付いていると便利そうです。表面実装用のmicroUSB-Bコネクタは秋月でも1つ60円程度しますし、サッと動作を確認したい時にもはんだ付けが必要なのは面倒だからです。
基板が仕上がったらとにかくmicroUSBケーブルをつないで通電チェックをできる状態を目標に、8pino風のmicroUSB-Bっぽいコネクタを試作してみました。

どうすればmicroUSB-B端子っぽく振る舞えるのか

既存のUSBコネクタに関する基本的な仕様はhttp://www.mouser.com/ds/2/185/ZX_catalog-939768.pdfやhttps://www.rcscomponents.kiev.ua/datasheets/esb22.pdfなど、ネット上のあちこちで見つけられます。
いくつか調べた結果、microUSB-Bコネクタは

• 0.65mmピッチ
• 端子幅0.4mm程度
• ピン奥行き1.4mm前後
• 厚み0.6mm-0.8mm?

という仕様で作れば最低限の電源コネクタとしての用途を満たせて、かつ運が良ければ通信にも利用できそう、という結論へ至りました。

試作してみた

試作にあたっては8pinoの設計データ(EAGLEのものが公開されている)から該当部分を抜き出すというアプローチもあったと思いますが、私が利用しているのはKiCadなので 新たにデータを起こすことにしました。
PCBはElecrowで製造する前提とし、同社がサポートする基板厚の中から今回は0.6mmを選びました。
どのようなパターンを試作すれば良いでしょうか。前述のQiitaエントリには

MicroUSBコネクタを使わずにケーブル側の細長いスロットに差し込む独自の端子を作ろうとチャレンジしため、0.1mm単位での調整を繰り返し行うことでなんとか実用的に使える状態に落ち着きました

と書かれていてなかなか苦労しそうな感じがします。
パラメータはおそらく端子(ランド)幅、コネクタ高さ(挿し込み深さ)、コネクタ幅の3軸なので、なるべく効率的に多くの試作パターンを作れるように考えてみました。
端子幅に3パターン、コネクタ高さに3パターンの都合9パターンをベースとして、10cm x 10cmの基板になるべく多くの試作品を収められるように配置しました(この作業は自動化できそう)。その結果42パターンを載せられることが分かり、コネクタ幅を5種類作成することにしました。切りの良い45パターンには少々足りないので、最後の分からは勝ち目の薄そうな端子幅パターンを除きました。
結果の基板が図2です。

図2 42種類のコネクタを10cm x 10cmに収めた

無駄な1ピン

今回は5穴のピンヘッダを付けていますが、これ明らかに1つ不要です。USB-OTG用の識別ピンはどのみち使わないため誤接触の原因を減らすべく省略したのですが、ピンヘッダ側から削るのをすっかり忘れていました。この無駄ピンを丁寧に取り除けば1枚に49パターン詰め込めたと思うのですが、せっせと42パターンを配置してそれぞれに検証用のカスタムを加えている途中で気付いたので、さすがに手戻りが大きすぎて諦めました。

待つこと数日、無事に基板が届きました(図3)。

図3 42のサブ基板を持つ基板

ミシン目基板カッターを用意して待ち構えたのですが、0.6mm厚の基板はミシン目部分を普通に手で折れたため出番無しでした。

コネクタ評価

早速、42パターンのうち条件を絞り込みつつあれこれ試してみました。

• 1-9はコネクタ幅が広すぎて全然ささらない。ムリをするとケーブルを痛めそうなので止めた
• 同、10-18はコネクタ幅が狭すぎてグラグラする。一応電圧はちゃんとかかっているのを確認できた
• 19/22/25も依然横動きが大きいのが気になる。電圧はかかるので隣のピンとの距離は問題なさそう
• 28だいぶきっちりして良い
  • 横動きがほとんどない
• 31も結構いい
• 34が今のところ一番いい
  • 横向きの遊びが微妙にある→グラつくほどではないけれど抜き差しのしやすさに寄与していると感じる
  • 差し込みがそこまで深くないので、全力で抜き差しせずに済む。また、コネクタ部分の露出が減るほど 折れて持って行かれる心配が減りそう
  • 根本からカーブかかって差し口に向かっているのも良い感じ
    • ほどほどの場所で止まってくれる
• 35でもいけそうだけど、端子がギリギリのところに接触しそうで少々危険を感じる
  • ランド細さの分

これにより、暫定で34番を採用することに決めました。同サブ基板を折り取って多少整形してピンヘッダを立てると図4の通り、ブレッドボードやユニバーサル基板上で扱いやすい形に仕上がります。

図4 ピンヘッダを立てた版

ブレッドボードへ挿した状態でmicroUSBケーブルを接続し、USB充電器から5.18Vを入力できていることを確認しました。

基板の強度

今回使った0.6mm厚基板の強度がコネクタ寿命に直結するため少々気になります。あまり正確な評価はできませんが、手作業で簡単にコネクタ部分の強度を確認しました。

• 素手でコネクタ付近を握って折り曲げるのは自分では(少なくとも簡単には)ムリな感じだった
  • 相当力を入れた結果、メリメリと音はしたけれど折れはしてない(内部でパターンの断線はあるかもしれない)

さすがガラエポというか、そこそこの強さはありそうです。通常の金属・樹脂製microUSB-Bコネクタのように1万回の抜き差し耐性とはいかないと思いますが、100回程度なら割と問題ないのではないか、という感覚を得ました。じきに100回程度の抜き差しテストはやってみるつもりです。
なお、あまり多くのmicroUSBケーブルで動作を確認できたわけではないので、もう少し種類を広げてやってみます。

動作確認と今後

今回はとにかくさまざまなバリエーションを作って実用性の高い構成を見つけることに注力したので、結果に満足しています。
今後はピンヘッダを4ピン化したり、microUSB-Bコネクタの実装も任意で可能な構造にしてみたいと考えています。プロトタイプ中は基板上の簡易コネクタを利用しておいて、仕上げるタイミングできちんとコネクタをハンダ付けする、という使い方ができると便利そうな気がしませんか。
これらを盛り込んだ設計で0.6mm/0.8mm基板を作成すると一段落つきそうです。一通り仕上がったらGitHubで設計データ(フットプリントライブラリ)を公開し、KiCadで簡単にインポートして使えるようにします。

今更ながら自宅で基板をリフローできる環境を整えた

はじめに

• リフローとは何か、については本ページでは触れないので、適宜ネットで調べてみてください
• 免責事項: 本ページで記載している内容は100V、12Aという大電流を扱うものです。パーツの組み方や運用の仕方によっては火災や感電へ発展する危険があります。この情報をもとにして事故が発生したとしても執筆者は一切の責任を負いません

自宅リフロー、流行りましたね

数年前に自宅リフローがいわゆるMakers方面で流行しました。
チップ抵抗やコンデンサ、各種LSIのような表面実装部品(SMD)を自宅環境でも比較的高い精度で手早く高密度実装できることが嬉しい、と広く紹介されていた記憶があります。当時、ホットプレートやオーブントースターを利用してストップウォッチ片手にリフローをおこなうチュートリアルを多く見かけましたが、最近はあまり見かけない話題です。
元々アクティブだった方が一通りやり終えて卒業したのかもしれませんし、関西のたこ焼き器並に1家1台状態と化して話題にならないだけなのかもしれませんが、よくわかりません。軽く調べてみると、挟ピッチ部品についてはユポ紙ステンシル作りの面倒さや精度・耐久性の低さ、リフロー工程の温度管理が難しいことによる歩留まりの悪さを嘆く声があるようでした。

自宅リフローをやりたい気持ちが高まった

そもそもなんでこのタイミングで?というと、主に3方向のモチベーションがあります。

• 評価ボード入手困難系: 使ってみたいチップの評価ボードが存在しない/簡単に入手できない
• ちっちゃい部品使いたい系: 使いたいコンポーネントが寸法(パーツ寸法・ピッチなどさまざま)的に専用基板必須
• 純粋な勉強系: 電子回路の設計力が著しく低いのでちゃんと物を形にしつつ勉強していきたい意味合い

今回の自宅リフロー環境構築指針

• 商業で一般的な温度プロファイルに基づいた加熱を指向する既存手法を極力なぞる
  • 私はこの方面の専門家ではないので、なおさら最初にきちんと筋の良さそうな方法を見極めてなぞりたい
• トースター系よりはホットプレート/グリル鍋系の既存手法に沿って進める
  • 両面実装の道は諦める。下部加熱による基板へのダメージも諦める(あまりにも品質が酷いようなら再考する)
• 既存手法のうち、低リスクで2016年事情にあわせたリファインをできそうな部分はアレンジする
  • 安価に入手可能な部材が変わっているケースへの対応
• カッティングシートを利用したステンシル自作はおこなわない
  • 0.5mmピッチのチップを使いたいケースが多いが、軽く調べた範囲ではこの領域を紙ステンシルで安定させるのは難しそう。このため紙系ステンシル利用によるコストダウン/リードタイム短縮は最初から諦める
  • 原則的にElecrowでのPCB Prototypingサービスのステンシル作成オプション(+$16.00)へ頼る
• T-962A改造よりは安価に仕上げる

参考にしたページ

しなぷす氏のArduinoとホットプレートを使ったリフロー装置(1号機)の製作(1)です。この手順には続編があり、そちらに従うとリフローのプロファイルを複数保持して選択できるようになるのですが、今回はシンプルなほうを選びました。
参考にしたというか、1点を除いて利用パーツは全てこのページに記載のものですし、ソフトウェア面でもArduinoのスケッチはこのページで公開されているものをそのまま利用しました。
重要パーツである液晶モジュール(しなぷす氏設計・製作)を購入したことで多少なりとも還元されていることを祈ります。

参考ページとの差分: グリル鍋の違い

今回のアレンジ部分です。
元の手順で紹介されていたのは山善のGN-1200(T)という型番のグリル鍋です。この製品はAmazon取扱開始が2005/4/20で、1週間ほどチラチラと在庫を確認していた限りではAmazon自体にはもう新品を入荷しておらず、マーケットプレイス扱いのみのようです。
そして、平均評価が高く、型番指定の参照記事や外部サイトでのレビュー/評判があり、Amazon本家で扱いの無くなった商品は得てして価格が安定せず、高騰しがちです。
今回もそのパターンだと判断し、新型番の同型機を探すことにしました。そしてスペック表をじっくり確認しつつ見つけたのが山善(YAMAZEN) グリル鍋 1200W 容量2L(直径23 深さ5cm) ブラック YGA-120(B)です。

2015/7/22に扱いが開始されたばかりで、近未来まで供給が続くことを期待できます。
気になるのは前製品との差ですが、元々人気商品であったため、基本的にはパッケージ変更または利用パーツの小規模な置き換えあるいは細かな金型変更という程度の差分だとあたりを付けました。しかし実際に問題なく使えるかは計測してみないと分かりません。
今回は実利用の前準備として、参考ページのスケッチを利用して加熱試験をおこなった際の温度変化を計測した結果を後述します。
・・・どうもこの商品は本当に人気のようで、本エントリの執筆時点でグリル鍋カテゴリ1位、Amazonの在庫が切れてマーケットプレイス分のみになっています。結果、安価に購入できない状態なのですが まあこれは時期が悪いというか、寒くなったのでみんな鍋をしたくなったのでしょう。私が購入した際にはAmazon在庫にて2,436円(税込・プライムでの送料無料・当日配達可能)でした。
念のため近場のビックカメラの売り場を確認したところ、寸法といい出力といい同一品らしい雰囲気の製品が売られていました。「壊れて困るものは量販店で買える製品を選ぶべし」とは某keijiro氏の教えでして、妥当の感があります。とはいえ今回の場合は多少落ち着けばAmazonで普通に買えるでしょう。

得られた実装

図1 パーツを揃えたところ

図2 一通りのはんだ付け系作業を終えたところ

スイッチサイエンスで購入したK型熱電対キット、端子部分がもう少しきっちり嵌まるはずなんですが、このあたりが限界でした。変ですね、問い合わせてみます。

図3 スケッチ動作と熱電対の動作を別電源で駆動したドライヤーで確認したところ

図4 グリル鍋を実際に利用してリフロー試験をおこなったところ

温度管理の実測結果

主要コンポーネントであるグリル鍋を元ページの推奨品から変えたことで最も気になるのは温度管理への反応差とリフローフェーズでの最高到達点差です。
今回はリフロー手順を一周終えて冷却フェーズまで進み、その後に十分間ほど経過した状態から、二度目の温度管理試験時に今回利用しているArduinoスケッチの特徴でもある温度変化ロギング機能で記録してみました。
グラフ化した結果が図5です。生のCSVファイルはgistに貼ってあります。

図5 温度変化のログ可視化

二度目ということで、48.0度スタートです。室温は20度程度だったため、数秒間の差があるはずで、絶対的な時間にさほど意味はありません。
冷却フェーズは電源を切り蓋を開放して冷やしているだけなので、温度上昇側のみを抜き出したグラフを下半分に置いています。
加熱1→プリヒート→加熱2→リフローがきっちりとできています。この温度プロファイルと制御、優秀ですね。

パーツの入手性について

元記事が書かれて3年経ったことで(入手はできたものの)多少なりともパーツの入手性に変化があると感じたのでメモしておきます。ひょっとすると2017年には推奨構成に多少手を加えたほうが良いかもしれません。

大電流大型リレーモジュールキット　１２Ｖ版

想定外に在庫が少なくて焦ったのは秋月電子通商の大電流大型リレーモジュールキット　１２Ｖ版でした。
一通り環境を作り終わった後で改めて同ページを見ると

※５Ｖ版、近日発売⇒K-11245

との表記がありました。
今回使ったパーツの中でArduinoに12V電源を利用している理由はこのリレーキットなので、これが100V15-20Aで利用できるものであれば、今後は5V版で代替できるかもしれません。
5V版で代替できると嬉しいのが、制御ボードにRaspberry Piシリーズ(以下RPi)を使いやすい点です。実際のところ、最近見かける自宅リフローのチュートリアルでは(ADCが不要なこともあってか)制御用にRPiを使っているものが多いです。今回の構成をRPi化アレンジすることで、2線で制御できる便利な液晶コンポーネントとその表示による一目瞭然なUIを維持しつつ、温度プロファイルの保存や管理/差し替え/実測情報の保存やネット経由での共有といった面で可能性が広がりそうです。

K型熱電対センサーキット

スイッチサイエンスでは、K型熱電対温度センサモジュールキット(SPI接続)MAX31855使用 5V版--在庫限りを名前の通り新規入荷しない方針に見えます。
3.3V版のモジュールと分圧抵抗で頑張るのも少々微妙感があり、K型熱電対温度センサモジュールキット(SPI接続)MAX6675使用での代用が無難かもしれません。零下の計測は基本的に必要ありませんし。

この先

Elecrowで注文していた基板・ステンシルのセットが届いているので、某国内メーカーのソルダーペースト(クリームはんだ)が届いたら実際にSMDをピンセットで配置してやっていきます。まずはPIC16Fをリフローしてみようと思います。