レーザー加工機を使った基板の製作
まえがき
大陸の業者にプリント基板を格安で製造してもらえる昨今、わざわざ逆張りしてエッチングで基板を自作してみたので備忘録を兼ねて工程をまとめておきます。基板をエッチングで作ると、大陸から着弾するのを待たなくて良いので短い期間に何回も試作することができます。慣れれば2時間掛からないと思います。
基板製作の手順
サンハヤトから新シリーズが出たばかりですが、今回は感光基板は使いません。生基板を塗装し、配線をつくらない部分の塗膜をレーザーで焼き飛ばしてエッチング液に漬けて露出した銅箔を溶かす方法で基板を作ります。
基板パターンの注意点
エッチング基板にソルダーレジスト（緑色の膜）を塗るのは難しそうだったので諦めました。部品や銅線をはんだ付けする際にブリッジしてしまうのを避けるため、部品の配置とパターン間のクリアランスには注意が必要です。配線幅は0.6mmくらいあれば安心だと思います。
SVGファイルの出力・加工
KiCadから出力したSVG画像をレーザー加工機が読み込めるようにPNG画像に変換します。専用ツールを作ったのでご活用ください。
以下のように実行してください。picture.svgはKiCadで出力したSVG画像、17はパターンをどれだけ膨張させるかのパラメータです。ここでパターンを膨張させないと、完成した基板のパターンは想定よりもだいぶ細くなってしまいます。元から細いパターンの場合は消えてしまうかもしれません。これは、レーザー光の直径が0では無いのとエッチング液がマスキング塗料を侵食するのが原因です。このパラメータは適宜いい感じに変更してください。pythonのパッケージが足りないようでしたら適宜ぶち込んでください。
実行すると4つの画像が出力されます。raw.pngはsvgをpngに変換したものをそのまま出力したものです。raw.pngの余分な部分をカットしたものがin.pngです。in.pngの黒い部分を膨張させ、白黒反転したものがout.pngです。diff.pngは膨張した部分を表しています。
ここまでは事前の準備です。ここから実際に基板を加工していきます。
基板の準備
生基板（FR4や紙フェノールの基材に銅箔を張ったもの）を使います。サンハヤトのものがお勧めです。まず、生基板にサーフェーサーをスプレーして下地を作ります。サーフェーサーが乾いてから黒ラッカーをスプレーします。タミヤのものがお勧めです。ここでサーフェーサーを塗布せずに黒ラッカーだけで済ませると、エッチング液に漬けているときに黒ラッカーが剥がれてやり直しになってしまいます。塗装したら基板の外形をカットします。銅箔を傷つけないように注意してください。
レーザー加工
レーザー加工機で塗膜を焼き飛ばしていきます。レーザー加工機はpng画像を読み込めるものなら多分なんでもいけます。私はNEJE Master2 20Wを使いました。加工範囲が塗装した生基板と合っているか確認しましょう。基板が動いてしまわないようにMDFの板に貼り付けるなどの工夫も必要です。
NEJE Master2 20Wと純正ソフトを使う場合の加工パラメータ例
| Laser Power | Burning Time | Speed | 走査回数 |
| 20% | 15mS | Slow | 1 |
エッチング
基板をエッチング液に漬けていきます。エッチング液はサンハヤトのものをお勧めしますが、クエン酸とオキシドールで自作することもできます。チャック付き袋やカップにエッチング液と基板を入れ、40から45℃のお湯に漬けます。40℃以下の場合は時間がかかるので塗装剥がれに注意しましょう。サーフェーサーを塗布していれば多少時間が掛かっても大丈夫だと思います。エッチング液をこぼさないように...
容器を少し揺らしながらおよそ5分おきに基板を引き揚げて水でエッチング液を洗い流し、銅箔の溶け具合を確認しましょう。20分くらいでエッチングが完了するはずです。
仕上げ
よく水で洗ったらアセトンで塗料を剥がします。Amazonでアセトン100%の除光液が買えます。必要に応じてドリルで穴を開けてスルーホールを作ります。必要に応じてフラックスを塗ります。
ロジン系ポストフラックスは長期的に酸化を防ぐのではなく、酸化膜を取り除きはんだ付け中の酸化を防ぐ役割があります。完成した基板を暫く保管する場合は、ロジン系ポストフラックスを塗って保管すると銅箔が腐食する原因になるので、酸化や腐食を防いで保管したい場合は水溶性プリフラックスを塗って表面処理（OSP）する必要があります。はんだ槽に沈めてはんだコーティング（HASL）するのもありです。
あとがき
エッチングはあんまり精度が出ないし廃液の処理も面倒なので、特に急いでない場合はJLCPCBとかPCBGOGOを使うと幸せになれます。
完全無学者のための高周波アートワーク
まえがき
高周波回路の部品の選定とアートワークでは、通常は何となくで決める部品の特性や配線幅、取り回し、部品の配置、コネクタのフットプリントなどがすべて重要な要素になります。今までどうでもよかったことがどうでもよくなくなるのは割と苦しいです。
この記事は少し前の私のような完全無学者が技術書を読んだ後に実際に設計するまでのハードルを下げることを目的として書かれています。生暖かい目で見て頂き、間違いがあれば指摘して頂けると喜びます。
伝送線路の設計
LNAやRFスイッチ、パワーディバイダなどの高周波コンポーネントは、想定される周波数帯域での入出力インピーダンスはおおよそ50Ωになっています。(75Ωとかのもあります)
(周波数が低い領域ではオシロスコープなどを使い電圧を基準にして信号を測る一方で、高周波領域ではネットワークアナライザなどを使い電力を基準にして信号を測る)
高周波コンポーネントだけでなく、ただの配線にもインピーダンスが存在し、これを特性インピーダンスといいます。これは伝送する信号の周波数が上がると配線に含まれる微小な寄生レジスタンス・寄生キャパシタンス・寄生インダクタンス成分が無視できなくなるためです。配線の抵抗成分とそれによる損失を考慮した場合、特性インピーダンスも周波数によって微妙に変化することになります。ここでは、高周波を伝送するための配線を特別に伝送線路と呼称します。
伝送線路から高周波ICに信号を入力する場合を考えてみます。ICの入力インピーダンス(想定される周波数帯域では50Ω)と伝送線路の特性(出力)インピーダンスが異なるインピーダンス不連続点では、
反射係数=(入力Z−特性Z)/(入力Z+特性Z)
S11 = -リターンロス = 20 log(|反射係数|)
の式に従い、Sパラメータ表記でS11[dB]の反射が発生します。リターンロスは反射電力に対する入力電力の比をdBで表した正の数値で、数字が大きければ大きいほど入力端での反射が小さいことを示しています。（入力電力に対する反射電力の比として定義されて負の数値になってることもあるので絶対値で良し悪しを判断しましょう。）入力Zと特性Zの値が異なるほどリターンロスの値が小さくなり、入力端での電力の反射が無視できないほど大きくなってくるのが解ると思います。逆に高周波コンポーネントから伝送線路に信号を入力する場合でも同様に計算できます。電力の反射すなわちエネルギーのロスなので、配線の伝送線路の特性インピーダンスは使用したい周波数領域で概ね50Ωに合わせる必要があることが判ります。
理論は一旦置いておいて、KiCadでの実際の設計に移ります。KiCadの計算機ツールを使うと簡単に特性インピーダンス50Ωの伝送線路を設計することができます。周波数はGNSSのL1の中心周波数の1575.42 MHzとしています。
伝送線路には幾つかの種類がありますが、ここではGND付きコプレーナ線路を使います。GND付きコプレーナ線路の場合、FR4の2層基板(H=1.6 mm)で特性インピーダンス50Ωを得るには、配線幅をかなり太くする必要があります。FR4の4層基板(H=0.48 mm)とすることで、比較的細い配線幅で特性インピーダンス50Ωを得ることができます。
GND付きコプレーナ線路の場合、配線の両側にビアを置きます。どのくらい置いたらよいかは正直良く分からないので私はとりあえず沢山置きます。
伝送線路の表面処理
ここまで伝送線路の表面は銅箔そのままだと想定して計算しましたが、実際は表面処理としてソルダーレジストやHASL、ENIGが施されています。住友電気工業さんの検討によると、レジストを剥がしてENIGを施すと下地金属材料として用いられるニッケルが強磁性体であるために伝送損失が大きくなるようです。レジストを剥がしてプリフラックスを塗る場合の特性が最も良いものの、信頼性の観点ではレジストを被せておくのが安牌らしいです。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ejisso/23/0/23_136/_pdf
伝送線路の取り回し
伝送線路の配線幅が途中で変わると特性インピーダンスが変化し電力の反射が起きるので配線幅は一定にするのが望ましいと言えますが、実は伝送線路を曲げる場合にも特性インピーダンスの不連続が発生します。曲げ半径はできるだけ大きくするのが望ましいといえます。
プリント配線の曲げが伝送特性に及ぼす影響｜RITAエレクトロニクス
また、コプレーナ線路の場合はリターンパス確保のために両側のGNDベタの幅が配線幅の2~4倍あると望ましいです。やむを得ず別の信号線と基板の裏側で交差する場合、DCカットキャパシタやジャンパ抵抗の下で直角に交差させ、内層にGNDベタを仕込むのが望ましいとされています。一応基板の同じ面で信号を交差させるためだけの素子も存在するらしいです。ビアに高周波の信号を流すのも出来なくはないらしいですが現実的ではありません。
ここで私が設計したGNSSモジュールをアートワークの例として示します。
取り回し以外にも同軸コネクタが変わったり受動素子のフットプリントが小さくなったりしてますがそれについては後程...
次回はインピーダンス整合・ダンピング抵抗とDCカット・バイアスTについて書こうと思います。
