Schmartwatch [14]: Flex Baugruppe bestücken

Die flexieblen Leiterplatten wurden geliefert und ich kann jetzt mit der Bestückung beginnen. Die Bestückung der ersten Leiterplatte werde ich in einzelnen Phasen durchführen. Zuerst wird der DCDC Konverter U2 bestückt. Dieser sitzt auf 6 BGA Bällchen und ist nicht leicht zu platzieren.
Wie man in den Aufnahmen bereits sehen kann, ist die Referenzierung der Siebdruck, Lötstopp und Kupfer Maske nicht ganz akkurat. Daher wurde an den Stellen der kleinen Landepads auch nachgearbeitet. Mit dieser Modifikation sollte es nun möglich sein die Bauteile korrekt und ohne Kurzschluss zu verlöten. Wenn ich die TPS61099 verlötet habe, kann ich mit dem Multimeter die Lötstellen auf Kurzschlüsse prüfen. Das Verlöten wird mit dem Heißluftfön passieren. Dabei wird mit Flussmittel eine Barriere zur Athmosphäre hergestellt (viel hilft viel) und der Chip erhitzt, bis das Lötzinn flüssig ist. Die suaerstoffhaltige Athmosphäre soll absgeschottet werden, um ein oxidieren (verbrennen) des Lot zu vermeiden. Im industriellen Herstellungsprozess wird das mit zum Beispiel einer Schutzathmosphäre erreicht. Anschließend kann dann mit dem Lötkolben die restliche Beschaltung dazugelötet werden. Wahlweise kann auch hier die Heißluft eingesetzt werden um die Bauteile zu verlöten.

Wenn der Regler aus den 3V Eingangsspannung die gewünschten 3,3V Ausgangsspannung erzeugt, kann die MCU, also der Microcontroller U3 bestückt werden. Dieser hat ebenfalls Landepads, die allerdings größer sind als die kleinen Kreisförmigen des Spannungsreglers. Hier musste nicht nachgearbeitet werden um die Pads mit Lötstopplack zu trennen. Diese Trennung ist wichtig, denn sonst könnnen sich Brücken bilden, die man von Außen nicht sehen kann. Für den Microcontroller kann ebenfalls eine Kurzschlussmessung erfolgen, ebenso wie eine optische Inspektion unter dem Mikroskop. Wenn der Lötvorgang für Gut befunden wird, kann die restliche Peripherie um den Controller gelötet werden. dazu gehören: Stützkondensatoren, und Vorspannungswiderstände. Wenn alle diese Komponenten verlötet sind, sollte der Controller über den Debug-Port erreichbar sein.
Sollte das der Fall sein, kann mit der Bestückung der externen ePaper Beschaltung begonnen werden. Diese, zusammen mit dem Stecker J3 ist für sie Uhrenfunktion absolut notwendig. Die Echtzeituhr und der Bewegungssensor werden nacheinander dazugelötet und auf Kurzschlüsse überprüft. Jede der Komponenten sollte dann einzeln in Betrieb genommen werden.

Die Bilder zeigen, dass der Offset des Siebdrucks leider so stark ist, dass der Rahmen um die Komponenten nicht als Referenz zum Platzieren herangezogen werden kann. Das ist schade, denn jetzt muss ich mich auf die optische von der Seite erfolgende Bewertung der Platzierung verlassen.

Die Rückseite der Flexplatine ist mit einer dicken Schicht Polyimid (PI) versehen. Da auf der Rückseite allerdings auch einige Messpunkte anfgebracht sind, wurde in der Schicht Öffnungen vorgesehen.

Diese Öffnungn sind groß genug um mit dem Tastkopf an das darin liegende Pad zu gelangen. Somit ist das Testen in einem Testadapter möglich. Diesen habe ich allerdings noch nicht entworfen.
Um die Uhr weiter zu stabilisieren wird der Batteriehalter in der Mitte mit einem thermisch aushärtenden Kleber fixiert. Das Kunststoffgehäuse des Halters kann so Längs und Quer Kräfte aufnehmen, die die Platine in der Mitte durchbiegen würden.

Beim Auflöten der zusätzlichen Komponenten habe ich an eine noch unbekannten Stelle einen Kurzschluss, oder besser gesagt eine Diodenstrecke von  0,4V in beide Richtungen. Hier muss ich also erst noch ein bisschen nacharbeiten, bevor ich mit dem Prototyp eine Funktion testen kann.

Wenn die Funktion gegeben ist, werde ich als nächsten Schritt die Software so weit fertig machen, dass sie initial released werden kann. Dazu fehlt noch ein wenig Code, vor allem die Funktion die Updatemuster des ePapers zu kontrollieren.

Schmartwatch [13]: Flex Baugruppe bestellen

Wie bereits von Anfang des Projekt an vorgesehen, soll die Leiterplatte der Schmartwatch gleichzeitig auch das Armband sein. Dazu ist eine flexible Leiterplatte vorgesehen. Diese Art von Leiterplatte ist im Gegensatz zu herkömmlichen Leiterplatten aus eine Kunststofffolie hergestellt und nicht aus Glasfaser verstärktem Epoxid-Harz (FR4). Gewöhnliche Leiterplatten aus FR4 lassen sich mit einer Mindestdicke von 0.4mm herstellen. Das ist aber nicht flexibel genug für unsere Anwendung als Armband.
Eine wichtige Eigenschaft einer Leiterplatte ist die Möglichkeit sie im Reflowprozess zu verlöten. Dazu muss das Leiterplattenmaterial allerdings auch tempertaurresistent sein. Bleifreies Lötzinn schmilzt bei 217°C und ein gewöhnlicher Reflowprozess steigt bis auf 245-250°C an um die Löttemperatur für ca. 30 Sekunden aufrecht zu halten. [Quelle]

Quelle: http://www.gp-ics.com/pdf/far1.pdf

Die flexible Leiterplatte muss diese Temperaturen aushalten können, ohne ihre Form und Festigkeit zu verlieren. Aus diesem Grund ist das Basismaterial der Leiterplatte ein Polyimid mit einer Stärke von 12,5µm. Auf dieses Basismaterial wird eine 13µm dicke Kleberschicht und 18µm Kupfer aufgebracht. Das Kupfer bekommt dann eine Deckfolie aus Polyimid mit 25µm Stärke. Zur Stabilisierung der Leiterplatten an den Stellen an denen Bauteile bestückt werden, sind zusätzlich zu der 170µm dicken Leiterplatte 150µm dicke Stabilisierungplatten aufgeklebt, ebenfalls aus Polyimid.

Somit ergibt sich eine Dicke von 0,325mm für die Leiterplatte mit Stabilisierungsplatte. Diese soll die benötigte Stabilität mitbringen, um die Bauteile nicht durch einfache Biegung abreißen zu können. Für das Handhaben wird allerdings noch ein stabilerer Rahmen benötigt. Dieser soll ebenfalls reflow geeignet sein und muss daher auch aus einem temperaturstabilen Kunststoff hergestellt werden. Aktuell werde ich eine unbestückte FR4 Leiterplatte als stabilisierendes Element verwenden und die flexible Leiterplatte mit Kapton Klebeband befestigen. Kapton ist ebenfalls ein Polyimid und kann einen Reflow-Prozess locker verkraften. Wenn die Bauteile der Uhr einmal verlötet sind, sollten sie für mehr Eigenstabilität sorgen. Im Design ist zu erkennen, dass der Batteriehalterung in der Mitte der Schaltung sitzt. Dieser ist selbst noch zusätzlich mit doppelseitigem Klebeband fixiert und somit eines der stabilisierenden Elemente.

Wenn die Uhr trotzdem zu instabil ist, werde ich eine gefräste Aluminiumplatte als Basis verwenden können. Die Testpunkte am Boden der Leiterplatte sind nur mit Messspitzen durch kleine Öffnungen in der stabilisierende Folie erreichbar, sind aber nicht durch eine flache Metalloberfläche kontaktierbar.

Bestellt habe ich die Flex Boards bei PCBgogo. Mit 8 Tagen Herstellungszeit sind die Flex-Boards bereits fertig und zur Zeit befinden sich die Leiterplatten bei der Post in Hongkong. Kann also nur noch ein paar Tage dauern, bis sie geliefert werden. Dann sehen wir weiter, Bauteile sind genügend vorhanden.

Pick and Place: Teil1

Wir haben uns einen Bestückautomat gekauft. Wie das mit unseren Käufen meistens so ist, spontan. Chris hat den Automat bei ebay Kleinanzeigen gesehen und 2 Tage später haben wir ihn in den Keller von Basti gebracht. Der Automat wiegt stolze 300kg und besteht hauptsächlich aus Stahl.

Der Automat  besitzt einen Transformator, der die Eingangsspannung von 230VAC in 100VAC umwandelt. Dieser wiegt stolze 12 kg und besteht aus ziemlich viel Kupfer. Die 100VAC Spannung wird im Automat in zwei DC Spannungen konvertiert. 24V und 5V. Bei Kauf und Erst-Inbetriebnahme im Keller zeigt der Steuerungsrechner eine Fehlermeldung an. Diese war leider in den Unterlagen nicht dokumentiert und lautete "Notstop betätigen! PWB-Stecker nicht verbunden." Der Steuerungsrechner ist ein 286er der mit dem Automaten über parallele Schnittstellen kommuniziert. Die parallelen Schnittstellen sind zwei Einsteckkarten in den ISA-Bus des Rechners. 

Bei der Fehlersuche wie wir die Fehlermeldung loswerden, hat Chris herausgefunden, dass die LED des 5VDC Nezteil nicht leuchtet. Wir haben uns mit einem Labornetzteil an den 5V Kreis gehängt, nachdem wir mit einem Multimeter auf Kurzschluss nach Masse getestet haben. Die Stromaufnahme war ca. 500mA und die Fehlermeldung verschwand. Also haben wir uns entschlossen das Netzteil zu reparieren. Bei näherer Untersuchung hat sich gezeigt, dass einer der Elektrolyt -Kondensatoren ausgelaufen ist und das ganze Netzteil mit klebriger Pampe verschmiert hat. Das hat wohl zu einem Kurzschluss geführt. Ziemlich erstaunlich, dass in einem 30 Jahre alten Gerät die Elkos noch flüssiges Elektrolyt haben. Spricht für deren Qualität.

Wir haben also eins der super kleinen 230VAC auf 5VDC/2A Netzteile anstelle des alten Netzteils eingebaut und siehe da, die Kiste läuft und reagiert auf Steuerbefehle vom Rechner. Beeindruckend ist auch der Unterschied in der Bauform der Netzteile. Das kaputte Netzteil konnte aus den 100VAC 5VDC mit 1A Strom erzeugen. Das neue Netzteil ist ist ungefähr so groß wie eine Briefmarke, hat einen breiteren Eingangsspannungsbereich und kann den doppelten Strom am Ausgang liefern.

Wir haben einen Initialisierungstest durchgeführt uns alle Funktionen einmal getestet. Wie nicht anders zu erwarten ist die Bedienung etwas umständlich. Es gibt kein USB (Verison 1.0 wurde erst 4 Jahre nach Baujahr der Maschine veröffentlicht) und eine serielle Schnittstelle ist auch nicht zu finden, also werden wir um ein Update nicht herum kommen wenn das Teil sinnvoll eingesetzt werden soll. Denn irgendwie wollen wir unsere Daten automatisch vom PC in den Bestückautomaten bekommen.

Wir haben uns entschlossen die Kiste auf eine aktuelle Hard-/ und Software zu bringen. Dazu werden wir ein neues Interface-Board entwickeln, dass so aufgebaut ist, dass es mit den originalen Bedingungen des Bestückautomats herstellbar ist. Quasi ein selbst replizierendes Ersatzteil. Das soll später an die gleiche Stelle wie die aktuelle Interface Karte, und mit den gleichen Steckern arbeiten.

Wie genau müssen wir noch besprechen. Das ist dann eine Sache für den nächsten Eintrag.