ＣＮＣルータでの両面基板制作 HeightMap [CNC]
「レトロマイコンZ80ボードの構想（その18）BDS-C」の記事に貼った写真のように３チップ構成のＣＰ／Ｍボードの両面基板の作成が難航しています・・^^;
10cm程度の大きさの基板では基板の歪み？等からZ軸を一定にすることが難しくなってきてミリング不足で銅層を切断できない部分が発生してしまいます。
使用しているgrblControl Ver0.8にはHeightMapを自動生成する機能があり、「マーティーの工房日誌」等を参考にさせて頂きHeightMap機能を使ってみました。
コントロール基板のA5端子がエンドミルと基板の導通状態の入力になり、エンドミル部分とモーターのケースが導通状態だったので、モーターケースにピンヘッダを半田付けし、コントロール基板のGNDを接続しています。ネット情報ではモーターシャフトに接続している例が殆どですが、モーターケースに取付けることで取り外し忘れによるシャフトへのコードの絡まり事故の危険がなくなります。
また、モータ側をA5にしている例が殆どですがモーターからのノイズを考慮してGND側を接続しました。
A5端子からケーブルを伸ばしてミノムシグリップで基板に接続した状態でプローブしてMAPを自動生成しました。
基板の浮きによる測定誤差が出ないように基板は捨て板（MDF)に両面テープで張り付けました。
（両面テープはScoch製の「はがせる両面テープ」（厚さ0.15mm）を使っていて剥がし易いように基板側の接着面を手で何回かタッチして粘着力を低下させてから貼り付けましたが結局剥がすのが大変でした・・これは今後の課題です）
赤い部分が上に上がっている（Z軸の数値が大きい）部分です。
Ｚ軸のゼロ調整の同じ原理で自動でできるのですが、従来の手作業でやっていた時より結構上側で調整されました。
手で調整する時はエンドミルを少し基板に押し付ける感じでやっていてパターン切削時のＺ軸は-0.04～-0.06mm程度の設定にしていましたが、今回はＺ軸-0.06mmではミリングが不十分で結局-0.12mmの位置をゼロに設定し直しました。
しかし、ミリング結果は（写真を撮ってない^^;）は上図の赤色部分（特に奥の方）が切削不足という結果でした orz
原因はマイクロレベルで右側が浮いていた？（であれば捨て板への基板の取付方法が問題ということになる）
結局、HeightMapを未使用状態にして、切削不足の部分を再度切削し直しました。
（NCVCでNCファイルを再生させて必要な部分を特定してからテキストエディタでNCファイルを編集して必要な部分のみ残す・・という作業をしています＾＾；）
トップ面は明日やってみます・・・
★2018/04/29 追記
トップ面のミリングをやってみました。
CNCでアウトラインの切出しも行ったのでボトム面も含め写真を貼っておきます。
ボトム面とトップ面の位置合せは四隅に開けた穴で行っていてソルダーレジスト塗布時にPCBに穴があると穴にソルダーレジストが詰まるので次の順番での作業を予定しています。
トップ面の切削開始時に最初に左下のホールのアイソレーション用の円形を切削するのですが、ホールの位置にたいしてズレていることが判りました。
そこで原点のY軸側を+0.8mmして穴が中心になるように調整しました（それまで原点はいじっていないのに何故ずれた？？）
トップ面の切削結果を見ると右側の二つのホールをアイソレーションする円形の切削がY軸に+0.8mm程度ズレてしまっていますねぇorz
最初は切削の深さが足りなかったので調整したのですが、Y軸調整する前の切削痕が残っていました。（マイクロスコープは上下左右が逆転します）
現象としてはX軸が約100mm進むとY軸が0.8mm増加するということになります。
これはCNCのX軸とY軸が正確に直行していないということだと思います。この調整は結構大変そう・・・
久々にマイクロスコープを使ったのでボトム面のViaとトップ面のTQFPのピンを貼っておきます。
ボトム面は今回ほぼ想定通りの切削が出来ました。
トップ面は直線部分が少しヨレヨレになっているところもあり、想定より悪い状態です。
特にTQFP周りは配線がかなり細くなったり、TQFPのピン間に余分な細い銅層が残ったりしていて想定より悪い出来でした。
ボトム面の切削時は両面テープで基板を固定していたのですが剥がすのが結構大変だったのでトップ面では基板の淵をマスキングテープで固定して切削しました。
流石にマスキングテープでは固定力が弱かったことが出来の悪さの一つの原因ではないかと思います。
★2018/04/30 追記
切削した基板を眺めてみると腑に落ちない点が出来てきました。
DesignSparkMechanicalを使って再現シミュレーションをしてみました。
始めに歪みがある状態でボトム面を再現
次の手順（1項は上記の操作）で検証してみました。
再現結果が下図です。
確かに今回起きた現象が再現されます。
ここで不思議なのが基板切り出しはトップ面で行っているのでボトム面の基板の淵の四角形が切出した基板に対して傾いているはずなのですが上のボトム面の写真を見ると基板の切出しと基板の淵の四角形の関係は傾いておらず、Y軸のみ0.8mmズレているように見えます・・・・何故？？
ボトム面の切削時に四隅に開けた位置決め用のホール（捨て板にも開いている）にトップ面を上にしてピンを立ててみました。
ピンが多少傾きますがきちんと立ちます（なので平行四辺形ではないということ）。
じゃ～ズレの原因はY軸の脱調？？
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10cm程度の大きさの基板では基板の歪み？等からZ軸を一定にすることが難しくなってきてミリング不足で銅層を切断できない部分が発生してしまいます。
使用しているgrblControl Ver0.8にはHeightMapを自動生成する機能があり、「マーティーの工房日誌」等を参考にさせて頂きHeightMap機能を使ってみました。
コントロール基板のA5端子がエンドミルと基板の導通状態の入力になり、エンドミル部分とモーターのケースが導通状態だったので、モーターケースにピンヘッダを半田付けし、コントロール基板のGNDを接続しています。ネット情報ではモーターシャフトに接続している例が殆どですが、モーターケースに取付けることで取り外し忘れによるシャフトへのコードの絡まり事故の危険がなくなります。
また、モータ側をA5にしている例が殆どですがモーターからのノイズを考慮してGND側を接続しました。
| ハイトマップ用ピン |
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A5端子からケーブルを伸ばしてミノムシグリップで基板に接続した状態でプローブしてMAPを自動生成しました。
基板の浮きによる測定誤差が出ないように基板は捨て板（MDF)に両面テープで張り付けました。
（両面テープはScoch製の「はがせる両面テープ」（厚さ0.15mm）を使っていて剥がし易いように基板側の接着面を手で何回かタッチして粘着力を低下させてから貼り付けましたが結局剥がすのが大変でした・・これは今後の課題です）
| 自動生成されたハイトマップ |
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赤い部分が上に上がっている（Z軸の数値が大きい）部分です。
Ｚ軸のゼロ調整の同じ原理で自動でできるのですが、従来の手作業でやっていた時より結構上側で調整されました。
手で調整する時はエンドミルを少し基板に押し付ける感じでやっていてパターン切削時のＺ軸は-0.04～-0.06mm程度の設定にしていましたが、今回はＺ軸-0.06mmではミリングが不十分で結局-0.12mmの位置をゼロに設定し直しました。
しかし、ミリング結果は（写真を撮ってない^^;）は上図の赤色部分（特に奥の方）が切削不足という結果でした orz
原因はマイクロレベルで右側が浮いていた？（であれば捨て板への基板の取付方法が問題ということになる）
結局、HeightMapを未使用状態にして、切削不足の部分を再度切削し直しました。
（NCVCでNCファイルを再生させて必要な部分を特定してからテキストエディタでNCファイルを編集して必要な部分のみ残す・・という作業をしています＾＾；）
トップ面は明日やってみます・・・
| ボトム面切削結果 |
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★2018/04/29 追記
トップ面のミリングをやってみました。
CNCでアウトラインの切出しも行ったのでボトム面も含め写真を貼っておきます。
| ボトム面 |
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| トップ面 |
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ボトム面とトップ面の位置合せは四隅に開けた穴で行っていてソルダーレジスト塗布時にPCBに穴があると穴にソルダーレジストが詰まるので次の順番での作業を予定しています。
- ボトム面の切削
- 四隅の穴開け
- トップ面の切削
- 基板切り出し
- ソルダーレジスト塗布
- 残りの穴開け
トップ面の切削開始時に最初に左下のホールのアイソレーション用の円形を切削するのですが、ホールの位置にたいしてズレていることが判りました。
そこで原点のY軸側を+0.8mmして穴が中心になるように調整しました（それまで原点はいじっていないのに何故ずれた？？）
トップ面の切削結果を見ると右側の二つのホールをアイソレーションする円形の切削がY軸に+0.8mm程度ズレてしまっていますねぇorz
最初は切削の深さが足りなかったので調整したのですが、Y軸調整する前の切削痕が残っていました。（マイクロスコープは上下左右が逆転します）
| ボトムとトップのY軸ズレ（トップ面左下ホール部） |
|
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現象としてはX軸が約100mm進むとY軸が0.8mm増加するということになります。
これはCNCのX軸とY軸が正確に直行していないということだと思います。この調整は結構大変そう・・・
久々にマイクロスコープを使ったのでボトム面のViaとトップ面のTQFPのピンを貼っておきます。
ボトム面は今回ほぼ想定通りの切削が出来ました。
| ボトム面のVia |
|
|
トップ面は直線部分が少しヨレヨレになっているところもあり、想定より悪い状態です。
特にTQFP周りは配線がかなり細くなったり、TQFPのピン間に余分な細い銅層が残ったりしていて想定より悪い出来でした。
ボトム面の切削時は両面テープで基板を固定していたのですが剥がすのが結構大変だったのでトップ面では基板の淵をマスキングテープで固定して切削しました。
流石にマスキングテープでは固定力が弱かったことが出来の悪さの一つの原因ではないかと思います。
| トップ面のTQFPのピン |
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★2018/04/30 追記
切削した基板を眺めてみると腑に落ちない点が出来てきました。
DesignSparkMechanicalを使って再現シミュレーションをしてみました。
始めに歪みがある状態でボトム面を再現
| ボトム面再現 |
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次の手順（1項は上記の操作）で検証してみました。
- （ｘ、ｙ）＝（100,70）の四角形の右端の辺を0.5mm上（Y軸）にずらした平行四辺形を作成
- 厚さ1mm(Z軸)の３Dオブジェクト化（紫色）
- Z軸方向に2mm移動して複写（ピンク色）
- 複写したものをY軸で180度回転
- 左下のホールがズレるので複写したものを-0.5mmY軸方向に移動
再現結果が下図です。
| トップ面(ピンク)再現 |
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確かに今回起きた現象が再現されます。
ここで不思議なのが基板切り出しはトップ面で行っているのでボトム面の基板の淵の四角形が切出した基板に対して傾いているはずなのですが上のボトム面の写真を見ると基板の切出しと基板の淵の四角形の関係は傾いておらず、Y軸のみ0.8mmズレているように見えます・・・・何故？？
ボトム面の切削時に四隅に開けた位置決め用のホール（捨て板にも開いている）にトップ面を上にしてピンを立ててみました。
ピンが多少傾きますがきちんと立ちます（なので平行四辺形ではないということ）。
じゃ～ズレの原因はY軸の脱調？？
| トップ面での位置決めピン |
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トップ面の切削結果などを追記しました。
CNCのX-Y軸が歪んでいる（直行していない）ようです・・orz
by skyriver (2018-04-29 22:38)