3Dプリンタを用いたプリント基板作成

電子回路を手軽に作成するにはユニバーサル基板を用いるが,配線が面倒なだけでなく,多数の電線が重なって美しくない,信頼性に欠ける,大きさや厚みの点で不利,などの問題がある.そこでどうしてもプリント基板を作りたいという話になる.最近は専門業者でも個人の注文を受け付け,少量でも非常に安く作成できるので自分で作る必要性は低いようだが,やはり1個だけ作って終わりのガジェットの基板は自分で作りたい.そこで光造形式3Dプリンタで手軽にプリント基板を作成する方法を試してみた.

手順

ここで紹介するプリント基板作成の手順は以下の通り. 基板の両端にテープを貼るのはレジストの厚みを確保するためである.これがなくてもレジストとして機能するが,厚みが不均等になる可能性がある.

作業の実際

まずは小さな基板を切り出してテストした.パターンは Blender で適当に描き,出力した STL ファイルを3Dプリンタのスライサーで読み込ませる.露光時間は24秒で,レジンはSK本舗の水洗いレジンを使用した.

念のためバットを取り外し,パターンが表示されているか確認する(上の写真の左).OKなので基板を重り(手元にあったヒートシンクを使用した)にテープで止めて沈め,露光.

露光後,取り出す(FEPフィルムから手で剥がす)とレジンが硬化したところの見た目が変わっているのでうまく造形出来たことがわかる.洗浄時に強くこすってしまったために小さい方の Text の文字がいくらか剥がれてしまったが,そのままエッチングしたところ右のような基板が得られた.通常の DIP IC の 2.54mm(100mil) 間隔のピンは十分造形できるが,3Dプリンタの露光方式が原因で線が太る傾向にあり,ピン間に配線を通すには線幅や露光時間の調整が必要と思われる(ただし露光時間を短くすると基板へのレジンの密着度が下がり剥がれやすくなる).

エッチング液には入手が用意なクエン酸・オキシドールと塩を使う方法で行った.すべてドラッグストアで入手できる.混合比や廃液処理方法等は他のブログ等で紹介されているので,それらを参考にして欲しい.クエン酸は薬局の薬品コーナーに売っているもの(左下のボトル,食品として使用できる)に対し,掃除用(中央,食用不可)は1/4程度の価格(写真の商品は300円だった)で入手できる.

作例

せっかく基板を作るのだから,ユニバーサル基板ではできないものを,ということで,100円ショップの電卓の部品を流用したRPN電卓を作成した.マイコンはArduinoに用いられている ATmega328Pで,ディスプレイは SSD1306 の型番で見つかる小型の OLED ディスプレイである.この手のメンブレンキーは抵抗値があるので同時押しでも問題ない(デジタル出力がショートして大電流が流れる恐れがない)ため,ダイオード等の付加部品は一切用いていない.

メンブレンキーが接する部分(導電ゴムがボタン裏面の外周に付いている)に出来るだけ2つの電極を交互に配置したいので,パターンはある程度複雑になる.プリント基板専用の CAD を使えばいいのかもしれないが,操作に慣れるまでに時間がかかりそうだったので,使い慣れたパワーポイントでパターン設計を行った.太さのあるところは長方形等の図形を用いても良いし,IC のピンが刺さるランドや配線の部分は丸やコネクタ線の線幅を太くして使っても良い(そのほうが配線とランドが確実につながった図形になる).なお下図で赤線はメンブレンキーの配置を表している.

このように描画したものを3Dプリンタで造形するためには以下の手順でデータを変換する.詳細は以下の動画を見て欲しい.

この手順で作成したデータをもとに3Dプリンタで造形(レジスト硬化)したものが以下の写真である(ただし前述のように,大きさが少し狂っていたのと,電源スイッチを取り付ける配線がなかったので修正して出力し直した).これを洗浄してエッチングし,穴あけをするとプリント基板の完成である.

完成した電卓は以下のようになった(ケースは作成中,追って更新).

いろいろなプリント基板作成方法と,その比較

プリント基板の作成は基本的に,全面に銅箔が貼られた生の基板から,配線以外の箇所の銅箔を取り除く作業となる.昔からよく用いられている方法を含め,ざっとネット見渡すと以下のような方法が見つかる. ここではレジストを光造形式3Dプリンタで直接基板上に造形してしまうという方法を紹介するが,その前に従来のレジスト作成方法について簡単に整理しておく. これらに比べ,ここで紹介する方法は以下のような利点がある. 問題としては,レジストの密着性を確保するのが難しく,洗浄・エッチング中にこすると剥がれることがある点.足付け・脱脂を完全に行う必要がある.