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冬休みの自由研究:基板の自作(11) 組み立てと動作テスト

基板ができたので、部品を実装して動作する成果物を作っていきます。

まずは、基板にピンバイスで穴を空けます。ナニゲに、微妙に老眼が入ってくるこの歳ではこういう細かい作業が辛いです;;

無事に必要な穴を空けることができました。拡大してよく見ると、ちょっと中心からずれてますね、、、

続いてパーツをはんだ付けしていきます。はんだ付けをしてみると、思っていた以上に回路が細かいことを痛感します。あと、普段慣れているプリント基板と感じが違うので、熱の加え方などの感覚がわかりづらいです。

そんなこんなで実装完了です。子供を膝に乗せながらはんだ付けをするなんて言う激ムズなシチュエーションだったので、はんだ付けの品質は悲しくなるくらい酷くなってしまいました(言い訳。

表側はこんな感じ。真ん中の輪っかになっている端子が電源用です。

さて、ドキドキワクワクの動作確認です。天に祈りを捧げながら電源を入れて、スイッチオン!!

ぴかーーーーん!!つきましたよッ!!

ものすごく簡単な例ではあるものの、DSPCBを使用した回路設計、基板のアートワーク、基板の製作、そして実際の組み立てまでの流れを経験することができました。これで当初目的は全て達成することができました。これで今回の冬休みの自由研究は終了です。

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冬休みの自由研究:基板の自作(10) 廃液処理

エッチングに使用した液体には銅が溶け込んでいるため、そのまま排水に流してしまうことは厳禁です。アルミホイルを投入して銅を析出させます。

アルミホイルを投入すると泡と熱が出るので、一気にたくさん入れるのではなく、少しづつ様子を見ながら投入します。

半日ほどアルミホイルの投入を続けると下図のような状態になります。

セメントで固める

数日間アルミホイルを投入し続けると液体が透明になります。こうなれば無毒なので、セメントで固めて燃えないゴミに出します。

セメントはいいものだと投入後30分くらいで固まるものもあるようですが、固まればいいので一番安いものを買いました。セメントを投入して混ぜると、ドロドロの液体になります。このまま一晩放置します。

一晩待つとカッチカチです。これでエッチング液の処理も完了です。

 

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冬休みの自由研究:基板の自作(9) 基板のエッチング・リベンジ

前回はマスクの転写が上手くいかなかったり、エッチングのやりすぎで回路が痩せてしまったとイマイチな結果に終わってしまったのでやり方を変えて再度チャレンジします。

マスクの転写

重しを乗せて転写する方法では基板へのトナーの乗りが良くなく、すぐにはがれてしまったので今回はアイロンを使って熱転写をする方法と、転写液をかけてから指で押さえる方法の二種類を試します。

アイロンを使った転写

アイロンを使う場合は光沢紙に印刷した方が良いようですが、今回は既に印刷した普通紙のものを使用します。基板に印刷したパターンを重ねてアイロンで抑えるとトナーが溶けて基板と紙がくっつきます。その上に布をかけ、霧吹きで水を吹いた後にアイロンがけの要領で熱を加えます。

これを水につけて紙をふやかし、トナーを残して紙を除去します。

指で押さえる

基板とパターンを転写液でくっつけた後、指の腹で基板全体をまんべんなく押さえます。しばらくすると転写液が乾くので、同様に水につけて紙を除去します。

結果

どちらの方法も紙を除去している段階でトナーが剥がれてしまい、うまくいきませんでした。左がアイロン、右が指で押さえたものです。どれくらいトナーが定着しているか確認したかったので、かなりゴリゴリと紙を除去しています。それでもこれだけ残っているので、前回のものよりはかなり良い結果です。

アイロンを使った方は全体に満遍なくに定着しているものの、全体的に薄くなってしまっています。それに対し、指で押さえた方はかなりしっかりと定着している部分とそうでない部分でムラができてしまっています。

指で押さえる方法は結構コツがいるようで、全体を安定して定着させるのは難しそうだなと感じました。それに対して、アイロンを使用する方法では加熱の時間をきちんと取れば指の感覚や経験といったものに頼らなくても安定して品質を出せそうな感じがします。

以上のことから、アイロンを使った転写を再度試みることにしました。

アイロンを使った転写(2)とエッチング

最初に紙と基板に霧を吹いて張り付けてから布をかけ、更に霧を吹いてから45秒ほど動かさないままアイロンで押さえつけ、その後通常のアイロンがけの要領で更に45秒ほど加熱をしました。

水につけて紙を除去する際、強くこすり過ぎるとトナーが剥がれてしまいそうだったため、紙の薄皮一枚程度は残し、紙を完全に除去することはやめてみました。多少紙が残っていてもエッチングが上手くいくことがわかると、転写作業がとても楽になります。

紙を最後まで取り除かないことで、かなり奇麗にパターンを残すことができました。これをエッチングしていきます。ちょっと不安なのは、場所によって完全に紙を除去できたところと薄皮一枚残っているところがあることです。このせいで結果にムラが出なければいいのですが。

エッチングを開始してしばらくたつと泡が出てきます。完全に紙が除去できているところの方が、気持ち泡の出が良いようです。また、銅箔が無くなるのもやはり早いです。また、今回はポツポツと丸く銅箔が残っているのが少し気になります。

昨日の反省を元に、周囲に少しだけ銅箔が残っているタイミングで少し早めに引き上げました。おかげで回路もかなりハッキリ残っています。比較すると、昨日のものはかなり浸食が進んでいたんだなということがわかります。

拡大してみると、エッチングが甘くて繋がって欲しくないところが繋がってしまっているところがあります。紙が残っていたところはやはりちょっと反応が遅いようです。こういうのはカッターナイフで削ります。

今回は、あと3~5分くらい処理をすればいい感じになったかなという気がします。ただ、そうすると回路の浸食も進むので悩ましいところです。個人的には回路が切れてしまうよりも繋がってしまっているものを削る方が簡単なので、少し足りないくらいで処理を終わらせるのがいいかなとおもいます。

回路のチェック

余分な部分を削りながら、テスターで回路をチェックします。繋がっていて欲しいところがきちんと繋がっていて、繋がっていて欲しくないところが繋がっていないことが確認できたら基板の完成です。

今回作った基板は、きちんとチェックをパスすることができました。これで基板ができたので、次はパーツの実装に進みます。

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冬休みの自由研究:基板の自作(8) 基板のエッチング

遂に冬休みの自由研究の山場、基板のエッチングの時が来ました。全てはこの時のための準備ですからね。気合を入れていきます。今回の内容は「【アイロン不要】プリント基板を自作してみよう【生基板】」をほとんどそのまま実践しています。元記事を書かれた @wak_tech さん、ありがとうございます。

トナー転写液を作る

まず、コンビニで印刷してきたパターンを基板に転写するために使うトナー転写液を作ります。「【アイロン不要】プリント基板を自作してみよう【生基板】」によると、アセトン・エタノール = 6:4くらいのバランスで混ぜると良いとのことなので、アセトンをちょっと多めに混ぜます。転写液はそんなにたくさん使わないので、作り過ぎないように気をつけます(結局作り過ぎた)。また、アセトンはプラスチックを溶かすので、転写液はガラス瓶に入れます。

生基板を用意する

ここからは、手の脂が基板につかないようにゴム手袋をして作業を進めます。工作系で手の脂は結構鬼門なので、細心の注意を払います。

エッチングする基板を用意します。必要なサイズよりも一回り大きめに切り出しておきます。今回は初めての作業なので、失敗してもよいように二枚用意しました。

汚れを取るためにアルコールで拭き、更にスチールウールで磨きます。下図の右側が磨いた後です。ちょっと光沢が出ていますね。

スチールウールで磨く際、スチールウールのカスが結構出ます。こういう細かい金属がPCの中に入り込むと、思わぬトラブルを招くので気を付けてください。

パターンの転写

印刷した面と基板の銅箔の面を合わせるようにして置き、空気が入らないように気をつけながら上から転写液をかけます。私は箸を使って少しづつ濡らしていきました。それほど焦る必要は無いですが、時間をかけると転写液が蒸発してしまうので手早く作業します。

基板と紙がピッタリ貼り着いたら、スポンジ→本の順で上にのせ、十分ほど待ちます。

エッチング液の用意

転写待ちの間にエッチング液を用意します。エッチング液はオキシドールにクエン酸を飽和する程度溶かし、更にクエン酸の1/4程度の塩を溶かします。

転写した紙を剥がす

エッチング液を用意していると、転写液が乾いて転写が完了します。

そのままではエッチングができないので、紙の部分を水でふやかして除去します。

最初はゴム手袋をつけたまま指の腹でこすりながら除去していたのですが、強くこすり過ぎたようでパターンまで剥がれてしまいました。

思った以上にデリケートなようで、二枚目はゴム手袋を外し、既にほぐれた紙の繊維に巻き取っていく感じで慎重に進めました。また、細かいところは使い古しの歯ブラシを使って、数本の毛だけで優しく繊維をほぐしていく感じで進めました。この作業が結構大変だったので、もう一度やりたいかと言われるとちょっと微妙です。笑。色んな方法を調べた感じでは、レーザーカッターを使ってマスクを切るのが一番簡単で精度が高いのかなという印象でした。

そんなこんなで頑張って、二枚目はある程度奇麗に紙が除去できました。

一部パターンも剥がれてしまっていますが、機能的には問題ない部分なのでこのまま進めることにします。

エッチングをする

先ほど作成したエッチング液に基板を浸します。紙の除去に失敗した基板だとどうなるか興味があったので、二枚とも処理してみました。

結論から言うと、手前の失敗したものは他の部分の紙がしっかり残っていたため、そこからパターンも巻き込んで剥がれてしまい、ちゃんとエッチングできなかったです。紙はある程度しっかり除去する必要があるようです。

処理が進むと基板から泡が出て、液が青色になってきます。たまに基盤をゆすってやりながら待ちます。

一時間ほどで銅箔が除去できたので、軽く拭いてから水洗いします。

この時点では、手前のものはいい感じにできているように見えます。これは期待できるかも・・・・!?奥のものは残った紙に巻き込まれてパターンまで剥がれてしまったせいでボロボロです。

マスクの除去

アセトンを使って、残っているマスクを取り除きます。ドキドキ。布にちょっと多めにしみこませて拭うと、結構サクサクと取り除くことができるようです。マスクを取り除いた後は銅箔が酸化しないようにフラックスを塗布して作業は終了です。

その結果はこんな感じ。

ちょっとエッチング時間が長すぎたのか、パターンまで浸食されてしまっています。もしくは、転写時にもうちょっとしっかり重しを乗せたほうが良かったのかもしれません。がんばれば使えなくも無いけど、もうちょっと奇麗なものが欲しいですね。

 

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冬休みの自由研究:基板の自作(7) 回路の試作

回路の設計ができたので、ブレッドボードを使用して回路を試作します。

と、ここで問題が発覚。300Ωの抵抗の在庫が手元にありません。仕方ないので、在庫が豊富にあった820Ωの抵抗を使用するように変更します。820Ωを使用するとすると、820(Ω)×10mA=8.2V、LEDと合わせて電源電圧を10.2Vにする必要があります。実用的にはどうなの???という感じですが、今回は基板の完成を優先します。

これで必要なパーツも揃ったので、回路を組み上げます。

無事に、スイッチオンオフでLEDが点滅することが確認できました。やったね!!

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冬休みの自由研究:基板の自作(6) オリジナル回路設計

DSPCB を使用した回路設計の準備ができたので、オリジナル回路を設計していきます。今回は自分で基板を作成することが主目的なので、あまり複雑なことをしないで、最小限の構成で済ませることにします。

電子工作で最小限の構成と言えばそう、Lチカですね。今回はスイッチオンオフでLEDを光らせるだけの回路にします。つまり、こんな感じです。

こんなの、DSPCBとか使わなくてもいいじゃんかーと思うかもしれませんが、まあそこは練習なので。久しぶりに回路を考えると、細かいところをいろいろと忘れています。抵抗ってLEDのどっち側に入れるんだっけ?とか、スイッチの端子はどっち向きだっけ?とか。

LEDは、どこのご家庭にでも転がっているLEDの房から収穫します。

ただ、残念なことに我が家にあったのは野生のLEDなので、肝心の特性がわかりません。ここはとりあえず順方向電圧2.0V、制限電流20mAとして扱うことにします。電源電圧を5Vにすると抵抗にかかるのが3V、流れる電流を制限電流の半分の10mAとすると抵抗は300Ωになります。

これを DSPCB 上で回路図にします。

 

 

なんかそれっぽいですね。抵抗の計算とか回路図とか、何かおかしなところがあったらコッソリ教えてください;;。

更に、レイアウトをします。回路図上で +5V と GND を追加しても基板のパターンとして出なかったのでピンジャックを使用するようにしています。ココは、普通はどうやってやるものなんでしょうね?

 

ここまでできると、3D表示で回路の様子を確認することができます。いや~、便利ですねぇ~

 

作成する基板のデータが準備できたので、コンビニで印刷してきます。印刷は普通紙で良いとのことです。そのようにして印刷したものが下図になります。

失敗することも考えて、多めに詰め込みました。

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冬休みの自由研究:基板の自作(5) DSPCB入門

とりあえずDSPCBの使い方がわからないと何もできないので、基本的な使い方を勉強します。公式サイトにチュートリアルが色々あるので、ここをザッとさらえば何となく使えるようになる気がするので、やってみます。ただ、チュートリアルは最新のDSPCBに完全に追従しているわけではないようで、一部 GUI が異なることもあるようです。この辺りは適宜読み替えて進める必要があります。

ざっくり進めたところで私がちょっと困ったところは以下の通りです。

まず、クイックスタートガイド2でパーツを追加する際、Add Component のプルダウンで最初に User が選ばれているため、パーツがリストアップされないです。ここで [All Libraries] を選べば、登録されているパーツがリストアップされます。

また、コンポーネントの管理方法が変わっている(?)ようで、チュートリアルで示されているような discrete.cml といった名前では管理されていないようです。あわせて、部品名も C や R といった名前ではなく、Capacitor や Resistor といった正式名称になっています。

そんなこんなで「DesignSpark PCB: クイックスタートガイド2 [回路図作成編]」を実践した結果、下図のような回路図ができました。

この回路を「DesignSpark PCB: クイックスタートガイド3 [基板設計編]」に従ってあれやこれやしたのが下図です(まだエラーが残っていますが、、、)。この辺りはちゃんと目的をもって回路設計と配置をやらないと、どこがキモなのかわかりづらいので今のところは雰囲気だけ掴むようにしておきます。

よくわからないことはまだまだいろいろあるものの、とりあえず回路と基板の設計ができるようになりました。

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冬休みの自由研究:基板の自作(4) DSPCBで作成したデータを印刷してみる

エッチング用のマスクデータを印刷するにはレーザープリンタを使用します。家庭にレーザープリンタがあることはなかなかないでしょうが、その場合コンビニのネットプリントが使えます。この季節は印刷するために外に出るのが億劫なので、そういう怠惰な人は Amazon でレーザープリンタをポチりましょう。私は一時間くらいかけて気合を入れてコンビニに向かいます。ネットプリントはどこを使っても同じではないかと思うものの、セブンイレブンで成功したという話を見かけたのと、自宅の最寄りのコンビニがセブンイレブンなので、私もセブンイレブンのネットプリントを使ってみます。

前回作成した PDF を使用して、印刷用のデータを用意します。今回は出力サイズが正しいかということも確認したかったので、パターンだけではなく寸法つきのものもあわせて配置しました。

印刷後、表示されている大きさと実際の大きさが合っていればきちんと出力されていることがわかります。これがずれていると IC の足が刺さらないとかいろいろ悲しいことが起きてしまいます。

セブンイレブンのネットプリントを使用する場合、PDF の用紙サイズをきちんとしておく必要があるようです。そのため、一度 Inkscape に読み込んでデータを配置してから A4 サイズの PDF として出力しなおします。これは、ページサイズとして A4 を指定し、PDF として保存するときに”ドキュメントのページサイズを使用する”にチェックを入れます。

そしてセブンイレブンで印刷してきた結果がこちら。

奇麗に左右反転され、さらに縦横ともにDSPCB上で設計したサイズのまま出力されていることが確認できました。ここまでできれば DSPCB を使ってマスクデータを作る部分は大丈夫そうです。

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冬休みの自由研究:基板の自作(3) DSPCBでマスクを作る方法を調べる

DSPCBを使うと決めたものの、そもそもマスクの出力方法がわからないと行き詰ってしまうのでまずはそのための方法を調べます。

使用するサンプルは、DSPCBをインストールして起動すると表示されているデータです。

今回は、DSPCBで設計したパターンをコンビニプリントで印刷してから生基板に転写する方法を採るので、回路パターンだけを選んで実寸で出力するのと、転写するために左右反転することができればよいことになります。

とりあえず何となく勘でFile→Print… メニューを選んでみると、そのまんま行けそうな内容が並んだダイアログが表示されます。

何となく、Output To: でPDFを選び、Settingsで  All Colors Black と Mirror にチェックを入れ、Layers で必要なレイヤを選べば行けそうな気がします。

レイヤはメインウインドウ右下にある Layers タブを選ぶと表示・非表示を切り替えられるので、ポチポチ切り替えると Top Solder Resist と Top Copper のみにチェックを入れると必要そうなパターンが表示されました。

サンプル回路自体は多層基板として設計されているため他のレイヤにも回路が含まれてしまっていますが、今回自作する基板は片面のみの一層だけなので、設計した回路に対してこれと同様なことをすれば十分だと思われます。

そのようにして出力したPDFは下図のようになりました。

これを印刷してみます。

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冬休みの自由研究:基板の自作(2) DesignSpark PCBの準備

基板を自作するにあたって、プリント基板設計ツールを使用する必要があります。今回は、 RS Components が公開している回路図面や基板パターンのアートワーク設計できる無料のCADツール、DesignSpark PCB(以下 DSPCB)を使用します。回路設計ツールとしては Autodesk EAGLEも無料版があり、「【アイロン不要】プリント基板を自作してみよう【生基板】」でもEAGLEが使用されているようですが、基板サイズや層数、非商用限定などの制限が多いようなので、今後使用することを考えるとちょっと躊躇してしまいます。(→と思ったら、EAGLE って Fusion360 との抱き合わせなんですね。Fusion360に課金すればEAGLEまで使えて機能無制限と考えると、かなり悩ましい。。。)

ただ、現時点ではDSPCBを使用して基板エッチング用のパターンをどのように出力するのかわかっていないので、ここで困りそうならその時点で方針を考えることとします。

DSPCBのインストール

DSPCBのサイトからインストーラを落とし、インストールします。また、DSPCBを使用するためには DesignSparkのアカウントが必要なようなので、アカウントも作成しておきます。このあたりは特にハマることも無く、サクサクッと進んで無事に DSPCB の起動までできました。