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両面プリント基板の制作実験(その6) [PIC]

 この辺で今まで試みてきたプリント基板自作でのそれぞれの方法における現状をまとめておきたいと思います。

 まず、目標としているパターンの精度についてですが、PIC16F88 の SSOP パッケージを使うことを前提としているのでピン間 0.65mm のパターンが作れる精度が目標です。

 このPIC16F88の SSOP パッケージ品は結構前に秋月電子通商さん(秋葉原店)で購入したものですが秋月さんのWEBサイトを見たら今は販売していないようです・・ということは半田付けまで試せるのは1回こっきり?? ^^;

 Microscope でICパッケージのピンの部分を撮ったものが下の写真で、確かにピン間 0.65mm くらいです(右側の境界線が実際より少し右側になったので計測値は若干大きめに出ている)。

SSOPパッケージのピン間



 初めから目標が少し高かったような気もしますが、色々試行錯誤したおかげで今ではこれよりピン間が2倍サイズのハーフピッチであれば作る自信があります。


 初めにページプリンタのトナー転写方式ですが、「両面プリント基板の制作実験(その3)」と「その4」の記事で紹介したオブラートを使った独自の転写方法であるオブラート転写方式を検討中です。
 この方法は転写時に紙を剥がす工程が楽なのとトナーが100%転写されるという特徴があります。通常の転写方式よりもオブラートをコピー用紙に張る作業が追加になりますが作業的には簡単なものです(それより紙を剥がす作業がメチャ楽になる)。

 但し、オブラートを張った後にまだ熱くなっていないラミネータを通すのでラミネータが必要になります。
 ラミネータではなくローラーのようなものでも代替えできるかもしれませんが、他の転写方式の場合でもアイロンよりはラミネータを使った方が安定した結果が得られているので転写方式でプリント基板を作るのであればラミネータはあった方がいいと思います。

 オブラート転写方式でエッチングしたサンプルが下の写真です。
 ページプリンタ(NEC製 5600C)の出力は小さめに印刷されるので 1.05%倍の出力にする必要があることが後から判りました・・

オブラート転写方式 拡大写真


 右側の拡大写真は SSOP の右下のピン部分の拡大です。パターン幅は 約0.235mm で SSOPのピン間の隙間は 0.201mm になっています。(因みに断線している部分はもっとスカスカになっている)

 転写時に位置合せのために四隅に貼ったマスキングテープのため、四隅に残った銅層をなくすためにエッチング時間がかなり長すぎたこともあり、3ヶ所程度、断線が発生しました。エッチング時間を調整すれば実用可能な気がします。


 次に CNC でのパターン作成状況ですが、「CNCルーターでのエンドミルの回転ブレ対策」で書いたようにエンドミルの回転ブレを 0.04mm 程度まで改善できたのでプリントパターンを切削してみました。パターンデータの作成環境は DesignSparkPCB + FlatCAM です。
 NCデータ作成方法の概要は「CNCミニルーターの購入(その4)」を参照してください。

 CNCで切削したサンプルが下の写真です。
 経費節約のため片面の紙フェノール基板で実験しています^^;

CNC 切削パターン例


 部分的に拡大したものが下の写真です。
 良好な部分は想定通り約 0.20mm の切削幅(写真は見づらいですが0.195mm)が実現できていますが、NG部分では 切削幅が 0.256mm に広がっていて切削に挟まれたパターンが破れています。
 これは基板面が水平ではなく、深堀された部分の切削幅が広がっているためだと思います。
 因みにこれらの切削部分のNCデータを確認したところ、少しずらして2回切削していました。

 また、四角形で深さ 0.2mm で切削したアクリル板の上に基板を張り付けたMDF合板を乗せているのでZ方向の平面調整はしたはずですが、基板貼り付け部分をよく見ると両面テープで両端を固定したため、中央が少し浮いているようでした ^^;

 どの方式でパターンをつくったにせよ、穴開けと切り出しは CNC で行うつもりなので(もう手作業での穴開けには戻れないw)CNCでパターン作成ができるのが理想ですが、Z軸の調整がまだ微妙な状態です。
 「CNCミニルーターの購入(その5)」の記事で紹介した Estlcam にはオートレベル調整機能もあるようですが、記事にも書いた通りCNCコントローラーのファーム入れ替えが必要となるので乗換える踏ん切りがついていません^^;

良好な部分 NG(SSOPピンへの配線)



 最後にUV感光シートでのパターン作成状況を書いておきます。
 国産の感光基板は今後使用する予定はないですが、ebayでUV感光シート(ネガタイプ)が安く売られていたので試してみました。

 「カッティングマシンでプリント基板製作(その4)」の記事では高価な感光専用のアートワーク用インクジェットフィルムを使用しましたが、ebayで購入した インクジェット&ページプリンタ兼用の透明シートが届いたので使ってみました。

 ページプリンタでパターン印刷するとインクジェットよりもかなり濃く印刷されるので上記記事で書いた環境より作業性(感光時間のマージン等)が改善されます。

 最初は90秒で露光したところ、露光後光が当たっていない部分を剥がす作業で剥がれきれない部分があったので露光時間を45秒にしたものです。(露光時間は紫外線照射器具及びマスクシートの透明度等にも依存)

UV感光シートでのパターン作成


 部分的に拡大したものが下の写真でSSOPのピン部分は綺麗にできていますが、右側の写真のように微妙に残っている部分がありました。
 もう少し露光時間を短くすることで改善できると思います(ディスクリート部品のパターンであれば全く問題ないレベルです)。

SSOPピン部分(良好) 上側のソケット取付け部分


 今までの方法の中では今のところ、UV感光シートで作成したエッチングマスクがいいのですが、UVマスクの貼付け(気泡厳禁です)や感光及びエッチング後の処理が必要となり手間なので穴あけまで考えるとやはりCNCで完結するのが理想です。
 オブラート転写方式ももう一歩なので検討を続けます。


 おまけとしてレーザーカッターでのエッチングマスク作成検討中の写真を貼っておきます。
 百均で買ったマニキュアをアセトンで薄めたものを生基板に塗り、レーザーカッターで1辺が 1mm 長の矩形波模様のパターン書いたものです。
 右側はエッチング後のものを拡大した写真です。

 エッチング部分の幅が 0.155mm ですが、エッチングしきれていない部分も多く、まだまだ先は長そうです。

レーザーカッターで書いたパターン エッチング後の拡大



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CNCルーターでのエンドミルの回転ブレ対策 [CNC]

 「両面プリント基板の制作実験(その4)」にも書いているように表面実装部品を使った両面基板の製作実験中なのですが、一つの手段としてCNCミニルータを使った方法も並行して検討しています。

 前回の記事で書いたようにデジタルゲージを購入したのでエンドミルの回転ブレを確認してみました。プリント基板の微細なパターンを切削するためには言うまでもなく重要なポイントです。

 はじめにもともとキットについていたカップリングでのブレ状態を確認してみました。0.4mm のドリルを付けた状態でスピンドルを手でゆっくり回しながらよく見ると目視でも若干ブレていることが判ります。
 MDF合板を両面テープで重ね合わせ、その上にデジタルゲージを両面テープで貼った状態で測定しました(ゲージには力が加わらないので固定強度はあまり必要ない)

デジタルゲージでブレ測定 モーターシャフトのブレ測定


 最初にドリルの本体部分(歯が切られていない部分)で先端に近い箇所を測定してみたところ、0.21mm のブレがありました。
 これではエンドミル直径 0.2mm 設定でのNCデータでうまくパターンが作成できません(実際に使用するVカッターの先端は 0.1mm ですが銅層よりも若干深く削ろうとした場合、実質 0.2mm 程度になるものと思われる)
 また、1mm程度のエンドミルで基板切り出しする際の騒音の原因にもなります。

 どこでブレが発生しているのか確認するためにカップリングの中心部分とモーターのシャフト部分(上の右側の写真)でのブレも確認した結果が下の表です。

測定部位 ブレ[mm]
エンドミル 0.21
カップリング 0.06
モーターシャフト 0.00


 モーターのシャフトにエンドミルを付けるためのカップリングはネジで固定する方式で、じっくり見てみるとエンドミルをカップリングの穴に入れた状態では僅かに遊びがありこれがブレの主要な原因のようです。
 カップリングのバラツキや販売元による違いがあるかもしれないのでebayで2個、別々の販売者に注文しました。

 どの業者のものも見た目は同じ外観で構造的にも遊びがないと入れづらくなるので別業者のカップリングでのブレの改善は期待薄です・・

 以前、エンドミル取付けの簡略化と違う太さのエンドミルも使えるようにするため買っておいたテーパーマウントのチャックを使って評価してみました。
 これは500円程度でしたが長すぎてZ軸の動作範囲が小さくなるためお蔵入りにしていたものです。

TaperMountedChuck


 チャックを付けた場合、上で書いたようにZ軸の動作範囲が狭くなるので、モーターの固定位置をなるべく上の方にしたところ、プリント基板の切削には問題ないくらいの動作範囲を確保できました。

 下の写真は回転ブレを測定している様子です。回転ブレ測定の結果は・・・・
 エンドミルの部分で 0.04mm に改善できました(^^)/

チャックに交換しゲージで測定 エンドミル部分のブレ測定



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両面プリント基板の制作実験(その5)5600Cの分解 [PIC]

 2015年10月に最安値店舗から7千円を切る値段で購入したNEC製のページプリンタ(MultiWriter 5600C)を使ってプリント基板作成実験をしていました。

 ebayで購入したPhotoresist Dry film(紫外線で感光(ネガタイプ)させるエッチングマスク作成用のフィルム)で実験しようと思い、手順簡略化のために直接フィルムに回路パターを印刷しようとコピー用紙にフィルムを張り付けプリンタに入れたところ、見事に詰まりました・・・ orz

 紙自体はすぐに取り出せましたがフィルムとマスキングテープが内部に詰まっていて紙詰りのエラーが消えない状態です・・・
 保証期間(1年間)はとっくに過ぎています(保証期間内だとしても保証対象になるか微妙・・というか対象外)

 購入価格を考えると修理に出すのも割高なので分解してみようとしましたが、ネジを外してもなかなか分解できません。
 ネットで検索し、このサイトの情報を参考にさせていただき分解することができました。

 自力で分解していたら結構時間が掛かっていたことでしょう。この製品はコスト削減のためドラム交換も対象外で部品交換しない前提なのかネジ数は少ないですがプラスチックの爪がかみ合っていてかなり力を入れないと外れない。

 分解してみたらドラムの出口のところに感光フィルムとマスキングテープが引っかかっていました。
 感光フィルムとマスキングテープを取り除いたら、ドラム(奥の方見少し見える橙色のシリンダ)の手前の黒いシリンダ(ドラム抑え)にマスキングテープの接着材が付いていたので無水エタノールで拭き取りました。

分解後(背面側から) 分解後(少し拡大)


 念のため、ドラムも一通り拭いておきたいのでドラム上部にある部品を2個取り外して、左側面にある直径10cmくらいのモーターを手で時計回転に回し、トラムとドラム抑えを少しづつ回転させ、全体を無水エタノールで拭きました。
 清掃開始ポイントが判るようにドラムの左端の金属部分にマジックで印を付けて、少しづつ回転させながら掃除しました。
 左側の写真で左側に立てかけてある水色のコードで繋がったものは上面パネルです。

ドラム上部の1個目の部品取り外し ドラム上部の2個目の部品取り外し



 ページプリンタはトナーを定着させるために結構熱くなる(100℃以上、製品にもよりますがカラーの場合は低めの温度らしい)ので今後気を付けねば・・

 感光フィルムは ebay ではかなり安く売られているのでこれを使って表面実装パターンが出来るのであればそれでもいいかなぁ~と思い、久々にインクジェットプリンタに電源を入れて感光フィルムへの直接印刷を試みましたが、インクがはじかれて駄目でした(表面をヤスリ掛けしても駄目)。
 OHPシートにインクジェットでパターンを印刷してみましたが印刷が薄いため、結局はトレーシングペーパーにページプリンタでパターン印刷して実験してみました。
 透明度という点ではトレーイングペーパーよりもOHPシートの方がいいのですが手持ちではインクジェット用OHPシートしかなくページプリンタで印刷するのは怖いのでトレーシングペーパーにしました。
 結果としては今のところ表面実装クラスの微細パターンの作成はなかなか難しい(ディスクリート部品のパターンであれば簡単に作れると思います)

 ebay にインクジェット&ページプリンタ兼用の透明フィルムがあったのでポチっておきました。


P.S.
 DesignSparkPCBでネガパターン作成の設定が判り辛かったのでメモしておきます。

Outpt -> Output Manufacturing Plots

で表示される設定ウィンドで「Output」タグの出力先選択で「Windows」を選択するとSettingタグにある「Positive/Negative」が設定可能になり、Negative Plotを選択できます。但し、Previewウィンドにある表示は連動しません。

 出力先選択をPDFにした場合に使用される PDF generatorは photo plotter をエミュレートしているのでパターン反転選択が有効になっていないということのようですが、これは実装側の理論であってユーザー側からしてみたら使いづらいUIだと思います。
 DesignSparkPCBは他の回路CADと比較して全体としては使い易いUIであることが特徴の一つだと思っています。

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CNCルーターのスピンドルモーター交換 [CNC]

 CNCルーターのスピンドルモータは電圧を規格の24vに上げようとするとかなり五月蠅い(=振動が発生)するので「郵便受の怪奇現象」で書いたように同じ型のモーターを購入してみた(他にもう1個購入で合計3個^^;)のですが、消費電流等の個体差が激しくモーター単体で静かに回転してくれるものはありませんでした。

 値段は1.5倍ぐらいしますが、見た感じでも製造精度が高そうな ZYTD-38SRZ という型番のモーターを購入してみました。
 ebayでの商品名としてはGeneric 24V 3000RPM 5mm Shaft Dia Permanent Magnetic Speed Reduce DC Motorと記載されていて低回転(ギアでの減速ではなくマグネットの構造による減速)です。
 実際に動かしてみると回転時の音が非常に静かでトルクが強く、高負荷になると今までの物以上に消費電流が増加し回転し続けます(まさにこういうモーターが欲しかった^^)。

購入したモーター(ZYTD-38SRZ)


 商品説明には次のように書かれています。
Product Name : DC Motor
Rated Voltage : DC 24V
Rated Current : 0.73A
Power : 7W
Output Speed : 3000RPM
Rated Torque : 300G.cm
Shaft Diameter : 5mm/ 0.24"
Overall Size : 81 x 38mm/ 3.2" x 1.50"(L*D)
Cable Length : 200mm /7.9"
Material : Metal, Electronic Parts
Main Color : black, Silver Tone
Permanent magnetic cylindrical shape and 2 wires connectors.
Great replacement for the rusty or damaged DC motor on the machine


 今までのモーターと比べてみると下の写真のような感じで高級感があります。(シャフトに取付けてあるカップリングは別購入のものです)

従来品(左)との外観比較



 シャフト径は同じ(5mm)ですが本体の径が今回購入したものは 38mm (従来品は 42mm)で若干小さくなっています。
 3DプリンタでCNCルーターへ取付のためのアダプタを作成しました。

取付アダプタ(CAD画面) モーターに装着



 「CNCミニルーターの購入(その4)」でプリント基板のパターンカット品質が悪化したことを書きましたが、主要な原因はスピンドルモーターの高回転による振動のようで、今回回転音が非常に静かなモーターに変えたところパターンのカット品質も改善されました。
 また、回転時は静か(さすがに切削時は音がするけど以前よりはかなり静か)になりました^^
 防音ボックスを作らなきゃダメかなぁと考えていましたが防音ボックスの制作はとりあえず止めにします。
 回転速度が低いのでカット速度は低めに設定する必要がありますが、静かなので時間が掛かっても許容範囲内だと思います。また高負荷時のトルクが非常に強いので切削中も安心して待つことができます。

 XY面の水平度を確保するためにアクリル板を0.2mm の深さの四角形で約2時間かけて切削したところ X軸方向に 0.1mm/100mm 程度の傾きがありました。
 このアクリル板の上にプリント基板を付けたMDF合板を乗せることで水平度を確保できます(理想的な平面版もなく(床の上で組立)計測もしないで組み立てたにしてはなかなかの精度で組みあがっているのではないでしょうか?)

 また、水平度を計測するためにebayで注文していたデジタルゲージ(0.01mmの精度ですがなんと約1200円)が届きました。

デジタルゲージ



 デジタルゲージを CNC ルーターのスピンドルモーター取付部に取付けるために3Dプリンタで取付けホルダーを作成しました。

ゲージホルダー(CAD画面) ゲージホルダー取付け後



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両面プリント基板の制作実験(その4) [PIC]

 暫く間が空いてしまいましたが両面プリント基板作成の続編です。
 前回の「両面プリント基板の制作実験(その3)」の最後に「表面実装部品で設計しないと両面基板のメリットが出にくいような気がする」と書いたように今回は表面実装部品を使った基板制作をチャレンジしました。

 回路としては前回同様に PIC16F88 を使用した独自方式の赤外線コントロール用の送信基板です。回路図は下図のようになります。DesignSparkPCB を使って作成しています(例によって見づらくてすみません)。
 PL3に接続される赤外線LED用の電流制限抵抗は抵抗値が赤外線LEDのVfに依存するため外付けとし、回路からは削除しました。

赤外線コントローラ(表面実装版)


 パターン設計結果は次のとおりです。前回と比較すると基板サイズが約1/3程度になりました。インダクタは手持ち部品の関係で表面実装タイプではありません。

トップパターン ボトムパターン

トップシルク ボトムシルク


 プリントパターンの転写方法としては前回紹介した独自方式のオブラート転写方式で行っていますが、今回の改善点や注意点等を記載します。

  1. オブラート貼付面の平滑化
     スティック糊(「シワ無しPiT」を使用)でコピー用紙にオブラートを張り付けた後、すぐにまだ温度が上がらない状態のラミネータを通すとオブラート面がかなり平らになります。
     この時オブラート貼り付け面には転写シートを重ねラミネートを通した後に剥がし易いようにしています。また、ラミネータの圧力調整として更に1枚のコピー用紙を重ねてラミネータを通しています(今回使用した両面基板の厚さは1.4mmです)。

  2. ラミネート後時間を置く
     オブラートを張り付けた後、時間を置かないとページプリンタでプリントパターンを印刷した際にオブラートが伸びてトナーに亀裂が入ります。今回は30分以上時間を置くようにしました(加熱後のラミネータに通して水分を抜くことも可能かも)
     でもあまり時間を置くとオブラート面に皺が出ることもあるので注意が必要です(周りの湿度も影響すると思います)。
     下の写真はプリントしたパターンの亀裂の例です。

    亀裂例 改善例

  3. 両面のパターンの位置合せ
     前回は基板の対角線上の穴を開けて、その穴に針を通してパターンの位置合せを行いましたが、今回はプリントパターンの外輪を正確に切り出し、プリント基板に乗せた状態で上下左右の隙間を等間隔にした状態でマスキングテープで四隅を固定することで両面パターンの位置合せを行いました。
     前提条件としてプリント基板の切出しサイズが正確であることが必要となりますが、今回はCNCで基板を切出しています。
     また、パターンを印刷した用紙のサイズを基板よりも小さくすることで従来からあったラミネータを通すと微妙に位置がずれる(ラミネータのローラーに基板が入る時にパターンを印刷した用紙の位置がずれる)という問題も解決しています。

    CNCで基板の切出し 位置合せの様子

  4. 転写結果
     上記で位置合せしたものをコピー用紙に挟んでラミネータを3回程通して転写しました。
     転写結果が下の写真です(クリックして拡大しないと良く見えないけど)。改善はしていますが相変わらずトナー印刷部分に小さな穴が開く現象(以降、トナーホールと記載)が発生しています。
     マジックである程度は修正していますが、パターンが微細なので超極細のマジックがないと完全な修正は困難です(amazonで極細マジックを注文しましたw)
     トナーホールはオブラート面の凹凸が原因とも思いましたが前々回の転写シートを使った転写でもトナーホールが発生しているのでページプリンタのトナーの特性が原因かもしれません(2回転写する等の改善策があるかもしれない)。

    転写結果(トップ) 転写結果(ボトム)

  5. エッチング結果
     パターンの転写結果に不安があったものの、エッチングしてみた結果が下の写真です。導通確認をしたところ、3ヶ所に断線が発生していました。orz
     四隅に若干の銅が残っている部分がありますがこれは転写時にマスキングテープを張った部分なので、エッチング前にアルコールで拭くなどすれば解決できると思います(気を付けないとトナーまで取れちゃいますが・・)。
     エッチングまで上手くいったらソルダーレジストやシルクもどき処理までやりたかったのですが、パターン転写にまだ問題があるので検討中です。^^;

    エッチング結果(トップ) エッチング結果(ボトム)

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