Montageanleitung

Dies ist eine Anleitung zur Bestückung unserer MuonPi-PCB, unter Verwendung des Baukastens. Du kannst einen Bausatz oder eine komplett bestückte Platine erhalten, indem Du uns hier kontaktierst.

Alle Bauteile in diesem Bausatz (außer den Stiftleisten) sind oberflächenmontierbare Bauteile (SMD). Die meisten dieser Bauteile sind nur wenige Millimeter groß und neigen dazu, sehr weit zu springen, solltest Du mit der Pinzette abrutschen. Das Löten dieser Bauteile erfordert ruhige Hände und ein wenig Technik, aber diese Anleitung soll Dir dabei helfen.

Das Kit

Das Kit enthält alle Teile, die du zum Aufbau deines eigenen Teilchendetektors brauchst mit deinem Raspberry Pi.

Enthalten sind im Kit:

• Der Kunststoff-Szintillator (großzügig zur Verfügung gestellt von Eljen Technology)
• Die nackte Leiterplatte (MuonPi Board)
• GNSS Antenne
• Komponenten, die auf der Leiterplatte montiert werden sollen (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, ICs, usw.)
• Stückliste (BOM). Es gibt auch eine interaktive Online-Version, die die Suche nach Bauteilen auf der Platine vereinfacht und die bereits montierten Bauteile mit einem Häkchen versieht, um die Übersicht beim Löten zu behalten.

Die einzelnen Komponenten des Bausatzes werden mit Klebeband auf ein Namensschild geklebt, wie auf dem Bild zu sehen ist.

Beispiel für die Verpackung der Teile im Detektor-Leiterplatten-Bausatz

Aufgrund der Größe und der Schwierigkeit, die Teile zu beschriften, werden sie mit Papieretiketten und durchsichtigem Klebeband verpackt. Das Herausnehmen der Teile aus der Verpackung muss sehr vorsichtig erfolgen, da sie leicht verloren gehen können.

Werkzeug

Die unverzichtbaren Werkzeuge sind:

• Lötkolben
• Lötzinn
• (Metall-)Pinzette
• Lötrauchabsaugung

zusätzlich:

• Flussmittel
• Lötdocht
• Schraubstock oder helfende Hände
• Skalpell/Schere
• Lupe

Zusätzlich empfehlen wir, einen hellen Arbeitsplatz zu wählen, da schummriges Licht und kleine Komponenten zu Augenbelastung und Kopfschmerzen führen können.

Generell gilt, je kleiner die Spitze des Lötkolbens ist, desto besser, zumindest für das Löten kleiner Bauteile. Wenn natürlich andere Lötspitzen vorhanden, z.B. solche mit einem Lötdepot, können diese auch verwendet werden.
In jedem Fall sind die Werkzeuge, die Du brauchst, um die Arbeit zu erledigen, die richtigen Werkzeuge, die Du verwenden solltest.

Dokumentation

Den Schaltplan, das Layout und die Stückliste der aktuellen Hardware-Version sind hier zu finden: easyEDA Projectseite. Beim Löten kann es recht schwierig sein, das richtige Pad zu finden, wo ein bestimmtes Bauteil hinkommen soll. Die Beschriftungen auf der Platine sind klein und der Platz für sie ist sehr begrenzt, wodurch einige von ihnen schwer zu lesen und zu finden sind. Um die richtigen Lötpunkte zu finden, empfehlen wir, einen Computer in der Nähe zu haben, an dem der Schaltplan geöffnen ist und die Suchfunktion genutzt werden kann. Alternativ kann auch das Layout ausgedruckt werden, dass auf der easyEDA Projektseite angehängt ist.

Montageoptionen

In der Stückliste sind mehrere Montageoptionen angegeben, wie z. B.: "Full", "Single Channel", "External Bias Supply", "Fixed Input Polarity". "External Bias Supply" und "Fixed Input Polarity" wurden von uns bei der Entwicklung verwendet und werden hier nicht weiter besprochen.

Montageoption	Beschreibung	Nicht Montieren	Montieren	Ändern	Bemerkung
Voll	Zwei Kanäle, zweifache Polarität, On-Board-Bias Versorgung	R515, L503, R115/R215, LED406, P400			Standard Montage Option
Ein Kanal	Ausschließlich Kanal 1, Standard Input Konfiguration	D502, L200, R200, R202, R203, R204, R205, R206, R212, R215, R301, R302, R305, R309, R312, R404, R513, C200, C201, C202, C203, C204, C205, C210, C211, C301, C302, C305, U200, U202, U504, LED404, X2			Single Channel
Externe Bias Versorgung	Verwendung eines aufsteckbaren DC/DC-Wandlers zur Erzeugung der Vorspannung anstelle eines On-Board-Reglers	U502, L500, D500, C505, R501, R500, R502	R515 or L503		Vorspannung durch aufsteckbares DC/DC-Wandlermodul für z.B. die Versorgung anderer SiPM-Typen (z.B. Hamamatsu)

Die Standardkonfiguration des Bausatzes enthält nur einen Szintillator, daher wird immer nur ein Kanal der Detektorelektronik verwendet. In diesem Fall wäre die Montageoption "Single Channel" ausreichend. Die Anzahl der Bauteile im Bausatz folgt jedoch der "Full"-Konfiguration, und die Montage aller Bauteile wird weiterhin empfohlen. Allein die Montage aller im Bausatz enthaltenen Teile führt zu einer funktionierenden Leiterplatte, auf der beide Kanäle funktionieren. Bitte kontaktiere uns, wenn Interesse an einem zwei Szintillator-Setup besteht.

Montage

Als Erstes solltest Du deinen Arbeitsbereich mit allen Teilen, der Stückliste und allen Werkzeugen, die Du brauchst, einrichten. Ich persönlich sortiere die Bauteile gerne in Kategorien: Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, ICs und andere. Das hilft, Zeit zu sparen und gibt einen schnellen Überblick über deinen Lötfortschritt. Grundsätzlich ist die Entscheidung, welche Komponenten zuerst montiert werden sollen, eine Frage der persönlichen Vorliebe. Eine hilfreiche Richtlinie ist die Montage von Teilen in Abhängigkeit von ihrer Höhe. Niedrigere, kleinere Teile sollten zuerst montiert werden, um bei der späteren Montage nicht zu sehr zu stören. Aus diesem Grund sollten die GPIO-Header zu den zuletzt zu montierenden Komponenten gehören.

Sobald Du eingerichtet bist, kannst Du deinen Lötkolben und die Rauchgasabsaugung einschalten und mit dem Löten beginnen.

Tipps zum SMD-Löten

SMD-Bauteile sind klein und schwierig zu löten. Die am einfachsten zu lötenden Bauteile sind die Widerstände und Kondensatoren. Fang am besten mit diesen Bauteilen an, um dich zunächst mit dem SMD-Löten vertraut zu machen, und gehe dann zu den schwierigeren ICs über.
Eine Kurzanleitung zum SMD-Löten ist unter sparkfun.com zu finden.

Besondere Vorsicht ist mit der Spitze des Lötkolbens und der Leiterplatte geboten: Zu viel Hitze und Schaben an den Pads kann die oberste Schicht der Leiterplatte entfernen oder sogar das Pad von der Leiterplatte abreißen. Im letzteren Fall ist es sehr wahrscheinlich, dass die Karte komplett ausbricht und unbrauchbar wird, je nachdem, mit welchem Pad dies passiert.

Arbeitsablauf beim Löten

Nahaufnahme eines Pads mit Lot und einem Widerstand

Nimm deine Stückliste und wählen einen der Widerstands-/Kondensatorwerte aus, mit dem Du beginnen möchtest, und identifizier die Pad-Beschriftung, wo das Teil platziert werden soll. Nimm nun deinen Lötkolben und erhitze eine Seite des Pads. Nach ein paar Sekunden des Erhitzens gib etwas Lötzinn auf das Pad. Nimm eines der Bauteile aus der Verpackung und fass es mit der Pinzette, wie auf dem Bild rechts dargestellt. Erhitze den Lotklecks und schieb das Bauteil von der Seite in das geschmolzene Lot. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kontakte des Bauteils bedeckt sind. Wird das Bauteil von oben in den Blob eingelegt, kann es zu Lötbrücken unter dem Bauteil kommen, die das Bauteil unbrauchbar machen.

Sobald eine Seite des Bauteils fixiert ist, ist es eine gute Übung, leicht auf das Bauteil zu drücken und das Lot wieder zu schmelzen. Dies hilft, das Bauteil bündig auf der Platine zu montieren. Obwohl dies nicht immer notwendig ist, hilft es, Lötbrücken zu vermeiden, besonders zwischen den Beinen von ICs.

Bauteil auf einer Seite angehoben (oben); nach unten gedrückt und nach dem Umschmelzen des Lots (unten)

Es ist eine gute Idee, die Bauteile auf der BOM durchzustreichen, sobald sie gelötet sind. Sollte am Ende eine Beschriftung auf der BOM unmarkiert bleiben, kannst du so kontrollieren, dass du kein Bauteil übersiehst.

Wenn du mit dem Löten aller Teile einer Art fertig bist, halte kurz inne und prüfe, ob kein Teil übersehen wurde. Fahre erst dann mit der nächsten Gruppe von Teilen fort.

Integrierte Schaltungen (ICs)

OWenn alle passiven Komponenten platziert und doppelt geprüft sind, können wir zu den integrierten Schaltkreisen übergehen. Das Löten dieser ist wesentlich schwieriger, insbesondere der ADC und der DAC (U401 & U402 in v3.x) haben einen sehr kleinen Padabstand. Lötbrücken sind fast unvermeidlich und müssen beseitigt werden.

Zuerst wird Lot auf ein Pad an einer Ecke des IC-Footprints aufgetragen. Dann wird das IC, genau wie die passiven Bauteile, in das geschmolzene Lot geschoben. Es ist sehr wichtig, dass alle Beine des ICs auf ihren jeweiligen Pads ausgerichtet sind. Fixiere nun eines der anderen Beinchen, vorzugsweise ein Beinchen auf der schräg gegenüberliegenden Seite. Die restlichen, noch nicht verlöteten Beinchen können nun auf der Platine verlötet werden.

Wenn Lötbrücken entstanden sind, müssen diese entfernt werden. Eine mögliche Methode zur Entfernung von Lötbrücken ist die Verwendung von Flussmittel. Flussmittel ist ein Gemisch aus mehreren Verbindungen, die den Aufbau von Oxiden auf dem Lotfleck entfernen und verhindern. Zusätzlich erhöht es die Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes und fördert so das Aufspalten von Lötstellen. Daher kann die Verwendung einer guten Menge Flussmittel Lötbrücken beheben.

Wenn sich jedoch zu viel Lot auf den Pads befindet, können Brücken nicht einfach mit Flussmittel repariert werden. In diesem Fall müssen wir etwas Lot entfernen. Lötdochte sind für diese Aufgabe sehr nützlich, da ihr dichtes Kupfergeflecht das überschüssige Lot aufsaugt. Lege den Docht auf den Lotklecks und drücke mit dem heißen Lötkolben den Docht von oben auf das Lot. Nach einiger Zeit, wenn der Docht heiß genug ist, schmilzt das Lot und wird vom Docht aufgenommen. Entferne Docht und Lötkolben gleichzeitig, sonst wird der Docht stattdessen mit dem Pad verlötet, und das Ziehen am Docht kann in diesem Fall das Pad von der Platine abreißen.

Im Zeitraffer ist vielleicht zu erkennen, wie ich den ADC und DAC (U401 & U402 in v3.x) verlötet habe. Da das Rastermaß sehr klein ist und Lötbrücken sehr wahrscheinlich sind, habe ich mir nicht einmal die Mühe gemacht, sie zu vermeiden. Nachdem ich das IC auf einem Beinchen fixiert hatte, habe ich alle Pins und Pads in einem großen Klecks mit Lot versehen. Mit der Zugabe von Flußmittel wurde das meiste Lot mit dem Lötdocht entfernt, in der Hoffnung, daß etwas Lot unter den Beinen zurückbleiben würde. Auf den ersten Blick schien es zu funktionieren, aber das Testen der Platine zeigte, dass etwas nicht funktionierte. Da ich weiß, dass diese Technik nicht 100%ig zuverlässig ist, wurde das Problem durch ein schnelles Wiederaufheizen mit vorsichtiger Zugabe von kleinen Lotmengen behoben und die Platine war voll funktionsfähig.

Timelapse of IC soldering (link to youtube)

Steckverbinder

• SMA Verbindungen: viel Hitze
• UFL Verbindungen: viel Lot

Tipps und Tricks

Es gibt einige bekannte Punkte, die bei der Montage störanfällig sind und erhöhte Aufmerksamkeit erfordern. Im Folgenden finden Sie eine (wachsende) Liste dieser potenziellen Punkte und einige nützliche Hinweise, die sich aus unseren Montageerfahrungen sowie aus dem Feedback der Nutzer ergeben haben:

• Die Kennzeichnung für Pin 1 von U102/U202 (SN74LVC1G3157) ist sehr schwer zu erkennen. Wenn Sie den IC so platzieren, dass Sie die aufgedruckte Gehäusemarkierung (z. B. durch eine Lupe oder ein Mikroskop) in normaler Ausrichtung, d. h. von links nach rechts, lesen können, dann sollte sich Pin 1 in der linken unteren Ecke befinden.
• Achten Sie beim Löten des SMA-Steckverbinders für die Kantenmontage darauf, dass Sie der Spitze des Lötkolbens genügend Wärme (oder Strom) zuführen. Andererseits darf die Spitze nicht zu lange am Stecker verbleiben, da ein Übermaß an Hitze das Dielektrikum des Steckers beschädigen kann.
• Seien Sie vorsichtig beim Löten der u.Fl (Miniatur-Koax) Stecker. Achten Sie darauf, dass das Lötzinn nicht den Steckerrand berührt! Tragen Sie reichlich Lötzinn auf die Gnd-Stifte auf, um den Abstand zu den seitlichen Pads zu überbrücken.
• Die Strombegrenzungswiderstände für die LEDs in der Standard-BOM sind so gewählt, dass die LEDs ziemlich hell sind. Um die Helligkeit zu reduzieren, beachten Sie die Empfehlungen in diesem Forenbeitrag. Mit den voreingestellten Widerständen beleuchten die LEDs Ihr Zimmer nachts sehr intensiv :)

Testen des Boards

Anleitung:

1. Bau die MuonPi-PCB wie in dieser Anleitung beschrieben zusammen
2. Software Setup
3. Hardware Setup

Um das fertig zusammengebaute Board zu testen, folge dem Software- und Hardware-Setup How-To. Wenn alles installiert und angeschlossen ist, ist der MuonPi bereit zum Booten. Seit der Version 2.0 des muondetector-deamon werden Standardwerte für die Schwellenwerte und die Bias-Spannung gesetzt. Mit diesen Voreinstellungen sollte die blaue Ch1-LED unregelmäßig zu blinken beginnen. Du siehst nun Partikel durch Ihren Szintillator laufen!