研究室で両面PCBを最速で作成する方法

プリント基板（PCB）は電子部品の基本要素であり、PCBの製作は電子工学専攻の学生および電子エンジニアの双方にとって基礎的な実験スキルである。PCB基板の製造技術はすでに十分に成熟しているものの、専門仕様に準拠した回路基板を製造することは、現実的でもなければ必要でもない。PCB製造プロセス彼らが単に自分たちの設計を検証したいだけであっても、それは時間がかかり、コストも高くつきます。そこで本記事では、電子工学専攻の学生やエンジニアがより良い選択肢を得られるよう、両面PCBを簡単に製作する方法を紹介します。

実験用高速PCB製造方法

PCB の製造には主に化学方式と物理方式の 2 種類があります。現在、高校で最も一般的に利用されている PCB 製造方法は、熱転写印刷と物理的なエングレービングです。前者は化学的な領域に属し、後者は物理的な領域に属します。

・サーマルトランスファー印刷

熱転写印刷を行うには、まず一般的なレーザープリンターを使用して、PCBイメージを専用の熱転写紙に印刷します。次に、熱転写紙に印刷されたPCBイメージを転写し銅張積層板（CCL）熱転写装置を通して処理される。最後に、エッチングやPCBドリル加工などの後工程を経て、高精度なPCBが製造される。高校の実験室では、高精度PCBの製造に熱転写印刷が活用されており、1時間で実現できる。両面PCBの製造になると、現在使用されている製造方法では解決されていない位置ずれの問題が顕在化する。その結果、熱転写印刷法で製造された両面PCBは、電子製品上で最適に機能しない。

サーマル転写印刷は、次のPCB製造プロセスに従います。
1. 下側のPCB画像は、普通のレーザープリンターでサーマルトランスファーペーパーに印刷されます。
2. 上側のPCB画像は、普通のレーザープリンターで別の感熱転写紙に印刷されます。
3. きれいに切断された両面CCLに、2枚のサーマルトランスファーペーパーを密着させて貼り付けます。紙と基板の位置ずれを防ぐために、クリアテープを使って固定することができます。
4. 熱転写印刷は、熱転写紙を貼り付けたCCLを熱転写印刷装置に投入して行う。冷却後、PCBパターンが印刷されたCCLが得られる。
5. 次に、エッチングとPCBのドリル加工を行います。

このプロセスは次の図に要約できます。

PCB製造におけるサーマルトランスファー印刷の全工程の中で、ステップ3を適用することで、2枚のサーマルトランスファーペーパーを正確に位置合わせすることができます。ところがステップ4になると、サーマルトランスファー装置においてずれが生じやすくなります。その結果、両面PCBは、数回の試行を行わない限り、ほとんど成功裏に製造することができません。

・物理的な刻印

物理エングレービングの基本原理に基づくと、物理エングレービングは、CCL（銅張積層板）の余分または不要な部分をフライス加工で削り取るという、フライス加工の原理に従っています。使用される装置は、実際には小型のCNCドリル・フライス盤の一種であり、回路基板エングレービングマシンとも呼ばれます。両面PCBの製造工程では、一方の面のフライス加工が完了した後、反対側を加工するために基板を裏返す必要があります。この反転工程によって位置ずれが生じる可能性があるため、ソフトウェアとハードウェアの両面から補正を行い、両面PCBの不良率を低減する必要があります。

・サーマルトランスファー印刷と物理彫刻の比較

2つの方法の比較によると、以下の点において、熱転写印刷は物理的な彫刻よりも優れた性能を示しています。
1. CNCドリル・フライス盤は比較的コストが高く、実験室内でより多くのスペースを占有します。一方、熱転写プリンターはコストが低く、CNCドリル・フライス盤よりも必要とするスペースが少ないという特徴があります。
2. サーマルトランスファープリントを使用すれば、両面PCBは1時間以内に完成させることができます。位置ずれが発生して複数回のサーマルトランスファープリントが必要になる場合でも、両面PCBは最大で3時間以内に製作可能です。一方、CNCドリル・ミリングマシンでは、少なくとも4時間以上の時間を要します。さらに、CNCドリル・ミリングマシンは同時に処理できるPCB基板が1枚のみであるのに対し、サーマルトランスファープリントは同じ時間内に複数の両面PCBを製造することが可能です。

改良型熱転写印刷方法

従来の熱転写印刷で顕在化している位置ずれの問題を解決するために、本稿では、以下の手順に従ったPCB製造用の改良型熱転写印刷方法を提示する。
1. ボトムPCB画像と反転したトップPCB画像は同じ熱転写紙に印刷され、ボトムPCB画像とトップPCB画像のスルーホールは線対称になっています。
2. 熱転写紙を対称線に沿って折り、きれいに切断された両面CCLの上にかぶせます。
3. その後、熱転写紙を被覆した両面CCLを熱転写印刷装置に投入して熱転写印刷を行う。折り曲げ部が先に熱転写印刷装置に入り、冷却後にPCBパターンが印刷されたCCLが得られる。
4. エッチングとPCBの穴あけ。

上記のプロセスでは、トップ面とボトム面のPCBイメージを同一の熱転写紙上に印刷することで、従来のPCB製造用熱転写印刷で常に発生する位置ずれの問題を効果的に解消することができます。その結果、信頼性の高い両面PCBを一度にスムーズに製造することが可能になります。

任意の条件に基づいて、同じ一枚の熱転写紙上でPCB画像の印刷を完了させることができますPCB設計ソフトウェアさまざまな作業を行うことができます。総じて言えば、この改良されたPCB製作用の熱転写プリント方法は、実験室で両面PCBを製作できる電子工学専攻の学生やエンジニアにとって、最も効果的な方法です。

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