3Dプリントでステンシルと基板の位置合わせ

「ステンシルに基板のネジ穴と同じ位置に穴あけすれば、位置合わせが楽」

というアイディアを最初に見たのはTwitterだったと思います。その方はピンかなにかを使っておられましたが、3Dプリントでピン付きの台を出力してみたらいい感じになりました。

■Fusion 360で設計■

設計というほどのものではなく、内側の四角から順に

1. 基板のハマる四角……3Dプリントが収縮しても良いように、基板よりほんの少し大きめに。
2. ステンシルが乗る四角……これもステンシルより少し大きくします。
3. 外形……レジンをケチるために小さくすると作業性が落ちますのでほどほどに。
4. ネジ……2.6mmの円をネジと同じ位置に。

を並べて位置を合わせるだけです。

次にこれを立体にします。いずれも押し出しを使います。

1. まず、全体のサイズを2mm、下方向に出力します。上がプラスなので-2mmですね。これは全体の土台になります。基板の厚さ、ステンシルの厚さ……などを計算するとめんどくさいので、私はいつも基準面よりも下に土台を出します。
2. 基板は基準面に接してますので、その外側を押し出します。今回は1.0mmの基板を作ったので、1.0mm上に向けて押し出します。
3. 外わくは基準面から基板厚＋ステンシル厚を上に向けて出力します。今回は基板1.0mm＋ステンシル0.1mmで1.1mmにしました。
4. ネジ部分、今回はネジとネジの間に部品がないので、少し高めの3mmに押し出しましたが、間に部品がびっしりあるような場合にはスキージングのときの邪魔にならないように1.0+0.1+0.5mmぐらいにします。

ネジのてっぺんにフィレットで丸みを付けます。さっき+0.5mmしたのは、ここでフィレットを0.5mmにするためです。こういうところに丸みをつけておくと基板やステンシルがさっと穴にはまりますので、作業性が向上します。

最後に、3Dプリンタのビルドプレートからはがしやすくするように、底面に0.5mmの面取りをします。ビルドプレートにくっつく部分は、硬化時間が長いので太りやすく、その分を小さくしておかないとうまく刃が入りませんので。

■出力■

特に何もありませんが、私はこういう平面性が大事なものは、べったりとビルドプレートに接するように出力します。

ChiTuBoxにて

■結果■

ちょっと収縮が大きくてネジ間とネジ間が縮んでしまったのですが、ステンシルと基板にいい感じでテンションがかかってくれて、いい感じでフィットしました。トップの写真が顕微鏡写真です。小さい丸が0.2mmなので、いい精度出てます。

従来の方法だと位置合わせは結構たいへんで、微調整をするためにマスキングテープを貼って少しずつずらしたあとでべったり固定して……などとアナログ的な技術が必要だったのですが、これならば基板をはめてステンシルをはめて、ペースト塗布……それだけです。

末筆ながら、発案者の方に感謝申し上げます。

ステンシルプリンタをサクサク使う

ステンシルプリンタを使うと、ハンダクリームが大変きれいに乗ります。もうこれなしでは生きていけないレベル（メイカーとして）。

上の写真は倉橋屋の生産設備でスキージング→ピックアンドプレース→リフローした0.5mmピッチQFPです。かなり良い感じにできていると思うのですが、いかがでしょう。

ただ、ステンシルプリンタは最初の位置決めが面倒です。特徴的な要素のない基板とステンシルを合わせようとして最大25分かかったことがあるレベル。ですが、ようやく5分程度で位置を合わせられるようになりました。

■ステンシル プリンタの使い方■

まず、フレーム付きステンシルをプリンタにセットします。この段階で親指で押さえているところがツライチになっていて、その左側にも隙間ができていなことを確かめます。

プリンタのY軸ステージ調整ネジでプリンタ本体とフレームの手前もツライチになるようにします。写真は左側ですが右側も。

左端はフレームとツライチになるようにマスキングテープを貼ってX軸の基準とします。

基板上の左下の部品を基準にして、フレームの左端と部品の距離をディバイダにセットします。斜線誤差は気にしない（ステージの段差とフレームの段差がほぼ同じ高さなので）。

フレームをあげて、ステージと基板上のパターンの位置をディバイダで合わせます。さっきX軸基準として貼ったマスキングテープと基板の左下の部品の距離です。

その時の基板の左端に合わせてマスキングテープを貼ります。

今度はY軸方向のフレーム端と部品の距離をディバイダにセット

またフレームを持ち上げて、ステージと基板上の部品位置をディバイダに合わせます。左端はさっき貼ったマスキングテープと合わせます。

この状態でフレームを下げるとこんな感じ。あとちょっとぉお！

あとはY方向2つとX方向1つのステージ調整ネジを使って、ぴったり合わせます。真上からみて合わせること、これとても大事。真上から写真撮れない斜めから撮ってますが、黄色いレジストがちらほら見えてますよね。真上からだと見えないんだぜ、これで。

基板の下はこんな感じです。真鍮棒は基板下面と同じ高さ、アルミのL字金具はLの立ち上がったところの平面が基板下面、ポチッと出っ張ったところが基板の2/3ぐらいの厚さになるように調整します。この出っ張りの高さはネジで調節可能で、出っ張りそのものもネジの太さに合わせて数種類付属しています。水平方向のガタはそれぞれのL字を引っ張る方向で押さえながらネジ締めます。

なお、JLCPCBでステンシルも同時に発注する時、with frameにするとやけにデカいやつがデフォルトになってしまうのですが、400x300mmがフレーム付きの最小サイズです。ご参考まで。

Elecrow PCB : ステンシルも注文してみた

梱包はこんな感じ。MDF板でしっかり挟んで保護されてます。MDFにはカット穴が沢山あいていて、明らかに再利用なのですが裏表2枚ずつ重ねてあるので、素通しの穴はありません。これは良いリサイクル。

中身はコレ。テープで保護されています。このテープの糊は養生テープぐらいの強さで、細かいパターンの場合無造作に剥がすとパターンが変形しちゃいそうな気が。剥がす時はくれぐれも慎重に。

ということで、スキージングの準備をします。同じ厚さの基板で枠を作って養生テープで固定し、

基板を仮止めした状態で位置を合わせてステンシルもテープで止めます。

で、テレフォンカード（死語）でスキージング。一発で塗れなくて何度か塗った結果、どうもはみ出し気味。うーん、全部のパターンを塗ることに固執するよりも、塗り残しは注射器で補正するぐらいの気持ちの方が良いかもしれません。

しかし気にしないでリフロー。一箇所ブリッジしましたが、まぁこれは塗り方が悪かったということで。

ステンシルは15x15cm以下で$16です。注射器と比較すると、準備と後片付けがちょっと大変です。計測したわけじゃないですが、私が作る程度の基板1枚や2枚なら注射器の方が早いんじゃないかと思います。あと、適切なハンダペーストを出すのが難しいので、どうしても塗り残してしまって、ものすごく「MOTTAINAI」感があります（笑）。

まぁハンダペーストは期限切れで廃棄する方が多いので、それを考えればこうやってスキージングで使うぐらいでちょうどいいのかもしれませんけども。