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AC パワーコントローラー基板製作［オーブンリフロー］

前回温度測定まで出来たたオーブンリフローをもう少し使いやすくする目的で

ACパワーの制御回路基板を設計しました。

この制御回路でオーブンリフローの温度を監視しながら供給する電源パワーをコントロールして

温度設定どおりにオーブンリフローを動作させたいと目論んでいます。

　今回はエッチングでまずプリント基板のパターンを作成して、そのあとまたチップ部品用の

メタルマスクを作成します。部品はなるべくチップ部品を使用します。

設計中に気がついたのですが、スルーホール（上面と下面を導通させる穴）は面倒なので

出来るだけスルーホールは少なくして面倒な穴あけが無い設計が楽です。それと穴あけ工具が

十分でないこともあります。0.8mmのドリルしかないことに気付きました。とはいえそれより細い

ドリルを使って穴をあけるのも職人技になってくるので、このあたりが手作業での限界かと思います。

やっぱりミニフライス盤が必要ですね。

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リフロー [ハンダ付け]

前回までに作ったメタルマスクを使って、実際の基板にクリームハンダを塗布して

チップ部品をその上に載せます。その後、オーブントースターで加熱してハンダを溶かし

部品を固定します。

メタルマスクと基板との位置合わせは、治具のおかげでそれほど難しくありません。

複数の基板にハンダを塗布する場合にはかなり楽だと思います。

クリームハンダの量は少なめの方が具合がよいように思います。

クリームハンダが上手に塗れたら、その上に部品を載せます。

小さいので顕微鏡が有ると楽ですね。

この状態でオーブンレンジに静かに入れます。

　オーブンレンジは少しヒーターをONしておいてから投入してみました。

オーブンレンジの窓からハンダ面が確認できるので、ハンダが溶け出すのを確認して

ヒーターをOFFするようにしました。

だいたい180秒～200秒くらいではんだが溶け出しました。溶け出してから５秒くらい

維持してヒーターOFF。

全体的にはかなり良い感じでハンダ付けができています。

ただ、ハンダ量が若干多かったせいか、0.65ピッチのICリードが

隣のリードと３か所くらいがハンダブリッジしていました。

これらのハンダブリッジを修正してすべて完了です。

今回使用したクリームハンダは、鉛フリー品でした。鉛フリー品は濡れ性が悪いなどと

言われているようですが、かなり良好な感じに仕上がったように感じます。

　リフローの温度制御をしたオーブンレンジに改造できると、もっと信頼性が上がった

製造ができそうです。部品実装についても、ハンダ小手で一つずつ手ハンダするよりも

速くて、仕上がりも美しいのでこれからはこちらの方法で製作してゆきたいと思います。

　完成した基板に電源を入れて、マイコンにプログラムを書き込み起動させたところ

問題無く動作しております。

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メタルマスク製作 03［自家製エッチング］

いよいよ製作したメタルマスクを使ってクリームはんだを塗布してみたいと思います。

その前に、メタルマスクと基板の位置を合わせをすることができるように工夫したものを考えます。

　2mm厚のアルミ板をベースに、1mm厚のアルミを重ねて基板を簡単に挟み込む様にします。

基板のだいたいの位置決めをしたところで、テープでアルミ板を固定。

　基板は標準で厚さが1.6mmということで1mm厚のアルミ板を使用しました。クリームはんだを

塗布するときに、基板と周りの高さを同じくらいにするのが目的です。実際は周りの方が

低いのですが、これが高い方がよいか低い方がよいかはまだ不明。今後の宿題でしょう。

メタルマスクの銅板は蝶ねじナットで押さえています。

幅10mm、厚さ5mmのアルミにΦ5mmのビスを通しています。

押さえ板の下にはゴムを張ってあります。

写真の緑色した基板が今回はんだ付けされる基板です。この基

板の銀色の部分（穴の開いていない部分が対象）にハンダを載せます。

　実際に白い紙にメタルマスクでクリームはんだを塗布してみました。

見た感じは良さそうです。

この後は、実際にオーブントースターでリフローしてみたいと思います。

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メタルマスク製作 02 ［自家製エッチング］

前回の結果を踏まえて再度チャレンジしました。

フォトレジストを塗布しておいた残りの２枚で製作します。フォトレジストの塗の状態も

最終結果に影響しそうなので、そこから再チャレンジが本当なのですが、前回塗った銅板を

余らせても仕方ないのでこれで試します。紫外線露光から再トライ。

【露光】

前回　：　１０分と１５分で良くなかった。

今回　：　２０分と２５分で実施。

【現像】

２０分、２５分の両方の露光時間での結果は、前回の１０分１５分と比較してかなりはっきりした

模様が両銅板とも付いています。きれいにレジストが抜けています。

【ポストベーク】

現像の後、フォトレジストをより強く定着させるためオーブンで熱を加えました。

前回のとき行っています。これをしないと、フォトレジストの傷などを修正するときに

黒マジックなどで潰しますが、これがうまく出来ません。フォトレジストがはがれてしまいました。

焼くことでマジックの溶剤でフォトレジストが取れたりしなくなります。

前回のプレベークと同じような感じで行います。少し多めに熱をかけました。

【エッチング】

腐食液に投入して１０分くらいしてからちょこちょこ腐食度合いを確認します。

今朝はちょっと寒かったので、腐食液の温度計は13℃くらいでした。腐食に時間がかかると

あまり良いことがなさそうなので液を温める手段を。いつも足元で使っている

小型の電気ファンヒーターをエッチング槽の前に置き、温風を当ててみます。結構熱くなります。

銅板を投入した時の温度は18℃、取り出すときには28℃になりました。

温めた結果、15分弱くらいで銅板を取り出してみました。

【結果】

２枚の銅板とも、腐食しすぎの部分なく全体的に均等に処理できました。若干腐食が足りない

部分もありますが、たぶん影響ないのではと思います。

結論としては、前回の失敗にを修正して次の条件がBetterということでしょうか。

・露光時間　：　20～25分

・腐食液は少し温める方が良い。

これらを踏まえて次の製作にもかかりたいと思います。

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メタルマスク製作 01 ［自家製エッチング］

自家製エッチングの準備ができたので、まずチップ部品実装用のメタルマスクの製作から

実践してみます。

【フォトレジスト（感光剤）の塗布】

　銅板（0.1ｍｍ）にフォトレジスト（感光剤）のFPPR-200を塗布します。

コットンパフを割り箸に巻きつけて、フォトレジストを含ませ、銅板に塗ってみました。

銅板は、あらかじめ脂分を除去しなくてはならないので、よく見かけるのは

スチールウールやクレンザーなどで表面を磨くやり方ですが、今回は

パーツクリーナーを吹き付けて、コットンパフで少しこすってみました。その時にはきれいな

手袋を着用しています。

　これで、銅板へのフォトレジストのノリは問題無く出来ました。

塗布してからフォトレジストが銅板表面に均一になったころ、オーブンでプレベークします。

オーブンに投入、ヒーター電源ON
30秒後、ヒーターOFF
30秒後、ヒーターON
30秒後、ヒーターOFF
30秒後、オーブンから摘出

この状態で、フォトレジストは爪などで簡単には?がれなくなりました。

【半田パッドの印刷（メタルマスクデータ）】

　部品がハンダ付けされる基板上のパッド位置を白抜きで印刷しなくてはなりません。

プリント基板のパターンを作る時は銅はくを残したいところを黒く印刷して、露光して

フォトレジストを残し、エッチングした時に銅はくが残るようにします。しかし今回はその逆。

バッド以外のところは真っ黒にします。これに悩みました。

うちで使っている回路図CADはKiCADです。印刷の中には反転印刷（ネガ）が見つかりません。

最終的に次の方法でネガ印刷しました。

KiCADのプロット印刷－Post Scriptを選択
Post Script印刷の中の［Negative Plot］にチェックを入れる
データは表面メタルマスクのみ選択
プロットボタンで出力－指定フォルダに「***表面メタルマスク.PS」というファイルができる
「***表面メタルマスク.PS」ファイルをダブルクリック［Adobe Acrobatを使用してpdfファイルに変換］
「***表面メタルマスク.pdf」が作成される－このファイルがネガになっています
「***表面メタルマスク.pdf」ファイルをOHPシートに印刷

吟味しなくてはならないのは、印刷したデータの実際のスケール。今回プリンタはエプソンの

PM-A750でした。最初ＸもＹもスケールは1.000で印刷してずれを確認しています。

結果、印刷時Adobe Acrobatを使用した場合はＸ、Ｙともスケールを1.05でほぼ実寸

印刷時PDF-XChange Viewerを使用した時は1.00でした。PDFはいつもPDF-XChangeを

使用してるので今回はPDF-XChangeで印刷しました。

ＯＨＰシートに印刷

0.65mmピッチのパッドもきれいに印刷できています。

【露光】

　ネガを印刷したＯＨＰシートを２枚のガラスにテープで留めます。

２枚のガラスの間にエッチングする銅板を挟んで、先日作った両面露光機にかけてネガを転写します。

このときのためにネガシートには位置合わせマークを印刷しておきます。（ＣAD上に書いておく）

これで、上下のネガシートがぴったりと同じ位置にセットできます。（３コーナーにマーク）

これで露光機にセットして露光します。

今回は２セット

10分露光と15分露光

時間はざっくり決めてみました。

【現像】

　FPPR現像液を原液1に対して水５の割合で希釈して使います。１～２分でOKのようです。

結果、部品パッドの模様の銅板となります。

【エッチング】

　銅板を腐食液で溶かします。現像して銅板面が出ているところは溶けてなくなります。

小さい基板エッチング用の装置を使用しました。液をかくはんするための、エアーポンプも

付いていて、エッチング槽の底から泡が出るようになっています。普通のバットでもよいのですが

使用後もこのままにしておけて、必要な時すぐに使えて便利です。専用の装置の中では

価格も安めで6千円台だったので自作はせず購入しました。

銅板には穴をあけて天板からぶら下げます。（画像は腐食液がまだ入っていません）

腐食状況を開始２０分後から５分おきに確認。３０分～４０分程度で良い感じになってきました。

（温度が高いともっと進行は速いと思います。）

しかし、一番狭い場所の0.65mmピッチの部分がまだぜんぜん不十分です。

今回はここ（0.65mm）が完了するまでやってみようと１時間位まで進行させましたが、結果は狭い場所は

まだ腐食できませんでした。腐食がうまくいっているところはもう腐食しすぎになっています。

【結果】

・露光時間が短い可能性あり。

・フォトレジストの塗がまだ十分均一でない。厚いところがある。

　出来上がった（出来上がっていないが）メタルマスクをみると、エッチングが進みすぎのところと

まだ途中のところとの差が大きいのがわかります。

もう一度、フォトレジストの塗の部分をやり直して、露光時間を20分以上でトライしてみたいと思っています。

0.65ピッチの部分は露光時間が足りない感じなのか？

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紫外線露光機制作02

コンパネから切り出した板を組み合わせて

蛍光灯部品を設置してから電気配線まで。

ようやく両面露光できる装置になりました。

まだ、改良の余地はありますが

そろそろ実践してみたいと思います。

このガラス板に銅板とパーターンを印刷したOHPシートを挟んで

使おうと考えています。

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紫外線露光機制作01

余っているコンパネの半分を利用して切り出した露光機になるパネル。

銀色の部品はケミカル灯のソケットを受ける部品として加工したL型アルミ。

あとは電気部品が来たら組み立てと配線です。

ホームセンターでスイッチなど調達しなければいけないかな。

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自家製エッチング

電子回路部品の極小化でハンダ小手でのはんだ付けもだんだん難しくなりました。

それを受けて部品実装の改善に取り組もうと思います。まずは、糸ハンダでのはんだ付けを

クリームはんだにしてみたいと思います。

　クリームはんだでのはんだ付けは通常、リフロー槽で行いますが、ハンダ小手を当てるか

オーブントースターなどを利用して行えるか試してゆきたいと思っています。

　その前に、プリント基板の部品パッドにクリームはんだをどう載せるかを検討。結果、まずは

銅板をエッチングしてメタルマスクを作ってみようと考えています。

エッチング工程の検証

・回路図のプリント版パターン図（部品パット）をOHP用の透明シートに印刷

・銅板（厚0.1mm）にポジ型フォトレジスト（感光剤）を塗布

・パータンOHPシートを銅板に重ねて紫外線露光機にてパターンや着付け

・銅板を現像

・銅板を腐食液（塩化第二鉄溶液）に漬けて、不要部分を溶かしメタルマスク作成

・銅板メタルマスクを実装基板に重ね合わせ、クリームはんだを塗布

・実装基板に部品を載せる

・実装基板の部品パッドにハンダ小手を当てる。またはオーブンでリフロー

ざっと上記の作業を行うことなると思います。

　上記ではメタルマスク作成で書いていますが、同じ工程でプリント基板作成もできるので

今後の回路試作など用途は非常に多いと考えています。

フォトレジスト：FPPR No.２００（冨士品工業）　・・・　6,930円

現像液：FPPRD（冨士品工業）　・・・　1,220円

これは高価だけど必需品のため購入。

腐食液：塩化第二鉄溶液　・・・　1,512円

近くの画材店で購入。送料・手数料かからず最安値。

エッチング装置：ES-10（サンハヤト）　・・・　6,615円

エッチング用の水槽は既製品。よく出来ていそうなのと値が張らないので購入。

紫外線露光機は既成品が高価なので自作とします。

うちに余っていたコンパネの半分90cm X 90cmで制作予定。

あまり大きくなければ制作可能と思います。

今回の露光機は30cm X 20cm のサイズが露光できれば

OKと考えています。

準備完了したところから制作に取り掛かります。

まずは紫外線露光機から。

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FFファンヒーター掃除

リビングの暖炉タイプのFFファンヒーターを稼働するのに

かねてから音が気になっていた送風ファンをメンテナンスしてみました。

今回初めて分解するので１０年分のほこりを除去。綿のようでした。

気になっていたファンモーターは比較的簡単に外れます。

しかし問題が。

モーター軸にナットで羽が固定されています。軸には逆ねじが切ってあります。

ここまではOK。

ナットを外すのに軸を固定する仕組みがありません。

軸のナット回せば軸も回ってねじが緩まないでは。

何とかラジオペンチなどを使って軸を固定して、ナットを外しました。

軸はこんな時に回転させないようにせっかくかまぼこ形に加工されているのに

羽はお構いなしに丸穴加工。メカ屋が脳なしなのか、コストダウンでこんなものを使用

したのかは定かではないが、勘弁してほしい。

モーターの軸は叩けば後ろへ抜ける感じだが、間違っていた場合を考えて

軸の隙間からグリスを押し込みました。ほんとは軸を抜いてメタルかベアリングに

直接グリス塗りたいけど。

その後、使用時の音は静かになった感じでした。冬本番まではまだ詳細不明ですね。

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ビッグホーンヒーターブロワグリスアップ

寒くなってからヒーターのブロワからキュルキュルと言う高音が聞こえてきたので
グリスアップしてみました。キュルキュル音は結構耳障りな音で気になりだすと
かなり不快です。

ブロワはダッシュボードの奥の下側からねじ止めされていて
電気ケーブルをコネクタで外せば、全体がそっくり外れます。

結構汚れていましたのでまずはファンを外して水洗い。

プラスチックのファンをモーターの軸から外すときに失敗して
ファンの一部を欠いてしまいました。軸は圧入されているので
ハンマーでたたき出しました。軸が付いていると水洗いしにくいので
こうしたほうが良いと思います。
グリスアップだけならファンまで外すことは必要ないのですが。
洗剤と古歯ブラシで少しこすれば結構きれいなりました。