プリント基板の自作!感光基板を使った作り方で簡単製作

基板の自作

電子工作というとラグ板やユニバーサル基板を使って製作するイメージが強いかもしれませんが、プリント基板を自作するともっとスゴいものが作れます。

にもかかわらず、プリント基板を自作する工作派が少なすぎる気がしています。

ちょっとした回路ならともかく、複雑な回路をユニバーサル基板で組んでいる作例を見かけると「大変そうだな」と思ってしまいます。

もちろん、当方でもユニバーサル基板を使うことはあるのですが、プリント基板の製作に慣れている身からするとハンダ付け作業が面倒に思えてくることもしばしば。

ネットでは、プリント基板の自作は難しいとか、精細なパターンを作るにはいろいろな器具が必要だとか書かれている傾向があるようですが、そんなことはありません。なんでそんなに敷居を上げたがるんでしょうかね?

そういうわけで、プリント基板を上手に自作するポイントをご紹介します。

プリント基板を作る2つの方法

パターンの作り方に二通りの方法がありますが、その後はどちらも同じ作業になります。

マスキングするやり方 …

ベタの銅箔基板にマスキングを貼ったり、油性マジックでパターンを書いていく方法で、40年以上も前からある古典的な方法です。

この方法は手軽な反面、間違えると手直しがやりにくく複雑な回路となると大変です。

また、パターンの縁が滑らかにならないのでキレイな仕上がりにならないし、表面実装のパターンを描くのは無理といってもいいでしょう。

高周波回路とかのベタパターンなら良いかもしれませんが、あまりオススメしません。

感光基板を使うやり方 …

感光基板を使ってパターンを焼く方法です。実はこの感光基板も40年位前には既にあったんですが、当時はレタリングでパターンを描いたり、トレーシングペーパーを使っていたせいもあってよく失敗したものです。

今では、パターンをパソコンでCAD編集してインクジェットプリンタを使って専用のフィルムに印刷して作れるので、綺麗に簡単に複雑な回路でも実現できるんですね。

この記事では、こちらのアートワークによる方法を詳しく説明しています。

プリント基板の自作に必要な物

最低限必要な道具類と原材料です。

パソコンとフリーのパターンエディタ

当方で使ったことのあるフリーソフト二種。他にもありますがあまり見かけないです。

mikanスクリーンショットmikan基板CAD
かなりシンプルですが、電子工作で使う分には良いと思います。当方ではいつもこのソフトを使っています。ただ、バージョン1.19bで更新が止まっていて、いつ公開停止になるか分かりません。

PCBEスクリーンショットプリント基板パターンエディタPCBE
電子工作の間では結構有名。当方でも以前はこれを使っていましたが、両面基板がデザインしにくいことと、Undoができなかったのでmikanに乗り換えました。しかし、何年か前に大きく作り変えが行われてUndo機能は付いたようです。

インクジェットプリンタ

DCP-390CN使うプリンタは安価なオールインワンタイプでもOK。当方では「DCP-390CN」という少し前の8000円位のプリンタを使っていますが、これでも0.3mmピッチのパターンが余裕で作れます。黒インクが顔料系インクになっているのが特に良いのかもしれません。

クランプ

PKクランププリント基板とフィルムを挟んで密着させる道具。

長い間、サンハヤトから「PKクランプ」というのが売られていたんですが、製造中止になってしまいました。
他には「EGクランプ」という簡易型のがあるんですが、これは他の商品とのセット販売用で、単品販売はないようです。

現在の最新型のクランプは、マグネットクランプというアクリル製のフォトフレームみたいなものになっています。

マグネットクランプ PKC-120マグネットクランプ PKC-120
透明なアクリル板とネオジムマグネットで、基板とフィルムをピタッと密着できるクランプです。昔のタイプよりかなり便利。

それ以外では、位置合わせがやりにくくなりますが、百均のフォトフレームのようなものでも大丈夫です。

蛍光灯スタンド

LED照明より蛍光灯スタンドの方がムラなく紫外線が拡散します。

デスクライト TT-DL13デスクライト TT-DL13
オーソドックスな感じの蛍光灯スタンド。
こんなので十分です。

バット

金属製はエッチング液で腐食するのでNGですが、百均で売っている食品用のバットで十分です。それと、サイズが大きすぎると十分浸すことができなくなるので、140mm×190mmくらいが理想です。

割り箸

現像液やエッチング液に浸している基板をつかんだりします。パターンをちょっとコスってみたりできるので良い。水で十分濡らしてから使います。

ドリルとビット

部品のリード線など小さい穴を開けるミニドリル、ビス穴など大きな穴を開ける普通のドリル、そして各サイズのドリルビットが必要です。

ミニドリル D-3ミニドリル D-3
30年の超ロングセラーモデルでしたが、最近製造中止になったので市場の在庫限りです。専用スタンドも欲しいところ。
プロクソン(PROXXON) ミニルーターセット No.28512-SKミニルーターセット No.28512
ドリルとしても使えるハイパワーなミニルーター。パターンカットにも使える。専用スタンドとのセットもあります。

リード線の穴径は普通0.7mm~0.8mm。太めの部品足やビス穴などでは、0.9mm、1.0mm、1.2mm、2.0mm、2.5mm、3.2mmあたりが良く使うサイズになりますね。

マイクロドリルセット20 RS-300マイクロドリルセット20 RS-300
品質はあまり良くないですが、たまにしか使わないサイズまで一通り揃っているので便利。0.5mm以下は使ったことないです。

お得なセットモノや、たくさん入りの刃は、痛みやすくバリが出やすいです。結局、何本も買い足しするハメにもなるので、メインの刃は良品を使うことをおすすめします。

ハイスピード鋼 HSS 径:0.7mm ツイストドリル刃 1本 ブラックコート耐久HSS ツイストドリル刃 0.7mm
HSS鋼とは加工時に発生する高熱でも劣化しにくい材質。安物とは一味ちがう滑らかな仕上がりと耐久性があります。

アクリルカッター

プリント基板をカットするのに使います。普通のカッターでもできないことはないんですが、力を込めるので危険だし、ガラスエポキシ基板ともなるとキツイです。

オルファPカッターL型 205BオルファPカッターL型 205B
黒い部分に予備の刃は入っています。ガラスエポキシ基板もカットできますが、紙フェノールより寿命が短くなります。

それと、当てがう定規やカッターマットも必要ですね。百均にもあります。

ヤスリ

プリント基板をカットした後のバリを取ります。百均のヤスリで十分。

フラックスを基板全体に塗るのに使います。百均の筆で十分。

原材料(消耗品)

初めてならサンハヤトの感光基板製作入門キットを買っても良いでしょう。

感光基板製作入門キット PK-12感光基板製作入門キット PK-12
道具より感光基板や現像剤などの原材料がメインの基本セット。消耗品の他にEGクランプも付属しています。

インクジェットフィルム

感光専用フィルムはサンハヤトのフィルム一択です。液体に触れると光を遮蔽する物質が塗られているので、水に触れないようにしましょう。

PF-3R-A4インクジェットフィルム
A4が3枚と、A5が1枚入っていて、100mm✕75mmの基板なら14枚分、150mm✕100mmの基板なら7枚分。

感光基板

サンハヤトのクイックポジ感光基板を使います。
なぜ「クイック」なのかというと、昔の感光基板は何十分も蛍光灯に当てる必要があったのですが、それが改良されて短時間で感光できるようになった商品だからです。

電子工作でよく使う基板の材質には、次の3種類があります。

●紙フェノール基板:
加工がしやすい反面、耐久性に劣りますが普通の電子工作には十分です。
昔からある材質で、基本的な基板。片面のみで、厚さは1.6mm。

●ガラスエポキシ基板:
耐久性が高く周波数特性も良いですが、硬いので加工しにくいです。
強度が最も高くとても丈夫です。片面と両面があり、厚さは1.6mm。

●ガラスコンポジット基板:
耐久性が高く周波数特性も良く、薄くて加工しやすいのでオススメ。
最も新しいタイプの基板です。片面のみで、厚さは1.0mm。

感光基板には約1年の消費期限があって、新しい基板ほどクッキリと現像できます。古いとエッチング後のパターンのエッジのギザギザが目立ってきます。
なお、最近になって消費期限が3年に伸びたようです。徐々に市場在庫が入れ替わっていくものと思われます。

クイックポジ感光基板 片面 1.6t×75×100 NZ-P10Kクイックポジ感光基板 NZ-P10K
片面 1.6t×75×100 紙フェノールの感光基板。オーディオやラジオ、実験用基板の製作など、手軽に使えます。
クイックポジ感光基板 片面 1.6t×75×100 NZ-G30Kクイックポジ感光基板 NZ-G30K
片面 1.6t×75×100 ガラスエポキシの感光基板。強度や耐久性、優れた電気的特性が欲しい時に使います。
クイックポジ感光基板 片面 1.0t×75×100 NZ-E40Kクイックポジ感光基板 NZ-P10K
片面 1.0t×75×100 ガラスコンポジットの感光基板。あらゆる回路の製作に向いています。小型の製作にも向いてます。
穴あき感光基板 NZhP93K穴あき感光基板 NZhP93K
片面 1.6t×72×95 紙フェノールの穴あき感光基板。ユニバーサル基板のようにあらかじめ2.54mmピッチで穴が空いています。

他にもいくつかサイズラインナップがあります。

現像剤

サンハヤトの感光基板用現像剤をぬるま湯に溶かして現像液を作ります。完全に溶かし切らないと高濃度な領域ができて失敗しますので注意しましょう。

感光基板用現像剤 DP-10感光基板用現像剤 DP-10
人肌より少し低いくらいの水に溶かして作るタイプの現像剤。昔からあるタイプですが成功率は高いです。

最近サンハヤトから「ポジ感光基板用スプレー現像剤」なるものが発売されましたが、これは失敗する率が高いのでオススメしません。

ポジ感光基板用スプレー現像剤 DP-M500スプレー現像剤 DP-M500
良さそうなんですがムラが出やすく効果もキツすぎます。毎回液ダレしてヌルヌルするしオススメできません。

エッチング液

普通はサンハヤトのエッチング液を使いますが、少々値段が高い。エッチング液の正体は「塩化第二鉄液」で、本来はもっと安い薬品なんです。

これは美術界でも腐食液と呼ばれて使われる薬品で、amazonなどで安く手に入れることができます。

エッチング液 H-200Aエッチング液 H-200A
サンハヤトのエッチング液200ml 。本格的な廃液処理剤も入っているので、高いけど便利ではあります。
塩化第二鉄 腐食液腐食液 塩化第二鉄液 500ml
アート作品に使うものとして画材屋さんが販売している腐食液。サンハヤトのエッチング液と何ら違いはありません。

廃液処理の方法なお、エッチング液はそのまま流し捨ててはいけません。原液100mlに対し、消石灰60gを混ぜ合わせて廃液処理してから生ゴミとして捨てるようにします。50℃程度の発熱があるので注意してください。

消石灰腐食液中和剤消石灰 500g
これも画材屋さんが販売している腐食液の中和剤として使う消石灰。約800mlのエッチング液を中和できます。

ガラス瓶に保存したエッチング液それから、エッチング液は真っ黒になるまで何度でも使えますが、黒くなるほど効果が弱くなるのでエッチング時間も長くかかります。
当方では百均で売っているガラス瓶に保存してセコく使っていますが、ビンの内側に銅のようなものが張り付くのでちょっと汚く見えます。

フラックス

時間が経つと腐食の恐れがあるため、無洗浄タイプのフラックスを使うようにします。

プリント基板フラックス BS-75Bプリント基板フラックス BS-75B
ハンダ用品でおなじみgootのフラックス、無洗浄タイプです。フタの内側に小さなハケも付いていて使いやすいです。

無いよりかはあった方が良い道具

温度計

現像液の30℃~35℃というのも、エッチング液の40℃というのも、大体で大丈夫です。でも、初めてで不安だったり水温感覚が無い人は、百均の液体温度計を用意しましょう。それでも慣れてきたら、きっと使わなくなります。

露光装置

蛍光灯より強い紫外線を照射するので、短い時間で済みます。
ただ、プロファイル通りの露光時間にしても、たまに露光不足な部分が出たりして失敗しますので完璧ではありません。紫外線が強いぶん、少しの加減が影響するようです。

ちびライトDX BOX-S1100ちびライトDX BOX-S1100
150mm✕100mmまでの感光基板を最大3分で露光できます。クランプ付き。タイマーが付いてたらもっと良かったんですけどね。

別に無くてもよい道具

ネットとかで見てると、さぞ必要であるかのように書かれていたりする道具。そりゃ、お金や場所があれば欲しいですが、別になくたって全然大丈夫です。

  • 専用トングや専用バット
  • バキューム式クランプ装置
  • エッチング液を温めるヒーター
  • エッチング装置
  • その他、高価な加工機類

プリント基板の作り方・手順

パターン図を作成する
フィルムに印刷する
露光する
現像する
エッチングする
穴あけとカッティング
感光膜の除去と洗浄
フラックスを塗布する
部品の実装(一番楽しい)
コーティング(レジスト)

当方の場合ですと、平日の夜や休日を利用して150mm✕100mmの中密度基板を普通に作るとすると、おおむね次の工数がかかります。

パターンの作成 ⇒ 1~4週間
基板を作る ⇒ 0.5~1日
部品の実装 ⇒ 1~3日

パターン図を作成する

まずは基板の設計。パターンエディタを利用してパターン図を作ります。最初に「標準」とするパターン幅やランドの大きさを決めるとよいでしょう。電源ラインなどは「直流1Aにつき最低1mm」という良く知られている目安にもとづいて太く設計します。

標準パターン幅(参考値)
      高密度中密度
パターン幅0.5mm1.0mm
パターン間0.3mm0.5mm
ランド直径2.2mm2.6mm

パターン設計の参考:ノイズ対策.COM

パターンの向きですが、フィルムの印刷面をプリント基板の銅箔面に密着させるため、普通は表側(部品面)から見たパターン図を描きます。

フィルムに印刷する

作ったパターン図をサンハヤトのインクジェットフィルムに印刷します。印刷は各ソフトから行うことができます。

サンハヤトのフィルムはA4サイズなので、基板のサイズに合わせてカットしてから使います。150×100の基板ならA5サイズ、100×75の基板ならA6サイズにカットします。

パターンの印刷印刷するレイヤは、mikanの場合「hole」や「solder」などの実パターンを表すレイヤのみで、外形や補助線などの関係ないレイヤは印刷しません。

露光する

普通の蛍光灯や、専用の露光機を使って露光します。

蛍光灯を使った露光作業普通は蛍光灯スタンドを使うと思いますが、家にはなかったので以前はこんな風にやってました。
露光時間は、製造後間もない基板で8分30秒、製造後1年近くの基板で9分30秒。こんなんでも成功率は95%以上です。

ちびライトを使って露光中サンハヤトの露光機「ちびライトDX」を使って露光中。長くても約3分で済みます。

ちびライトDXの適正露光時間

ちなみに、最近になってサンハヤトの感光基板の作り方から蛍光灯を使った方法が削除されたようです。多分ですが、初めての時は露光時間がハッキリせず失敗する率が高いからではないかと思われます。また、LED照明が普及していることもあるかもしれません。

蛍光灯を使う場合、最初は最適な時間が分からないので、失敗を覚悟してどのくらいやればいいのかを見出すところから始める必要があります。もったいないですが、分かってしまえば後は同じ条件でやる限り成功するようになるので、そこは妥協しましょう。

なお、製造から1年経過した感光基板は、新品のものより1分くらい(当方の蛍光灯の場合)長めに露光する必要があるので、年月に合わせて調整します。

それから、日光で露光するのは失敗率が高いのでオススメできません。

現像する

現像液を作ってプリント基板を浸します。すると感光膜がうす青く溶け出してくる様子が分かります。露光が適切だと50秒程度で溶け出しが終わって完了します。
使った後の現像液は工程でも使うので、適当な入れ物に入れて取っておきましょう。

現像後の基板良好な現像ができるとこのような濃い目の緑色になりますが、露光が浅かったり期限切れ前の感光基板では薄い緑色になります。

エッチングする

エッチング液を湯せんするエッチング液を40℃近くまで湯せんして温めてからエッチングします。

エッチング作業エッチング中もバットを湯せんすると良い。

エッチング後のプリント基板は必ずチェックしましょう。特に基板のフチは銅箔が細く残っていることが良くありますし、露光が浅かった場合は目に見えないくらいの溶け残りも時々あります。当方でもこれらが原因でショートしていたことが何度もありました。
部品を実装した後ではショート箇所を特定するのは難しくなるので、テスターでチェックすることをおすすめします。

穴あけとカッティング

基板の穴あけ部品のリード線の穴あけ。
開けた穴を指でなぞってみて引っかかり(バリ)が多くなってきたら刃が傷んできた証拠。ハンダ付けしにくくなるので新しい刃に取り替えましょう。

基板の穴あけビス穴などの大きな穴は普通のドリルで。
ただ、貫通した時に裏側の穴のフチが割れてしまうことが多いので、両面から穴を開けてつなげるようにすると良いです。

基板の穴あけ大きい穴は、たくさんの小穴を開けてつなげて開けます。バリは百均のヤスリで頑張る。

基板のカッティング紙フェノール基板はアクリルカッターで数回両面に傷を入れればパキッと割れます。
ガラスエポキシ基板はちょっと硬いですが、十数回傷を付ければ割ることができます。
ラジオペンチを2つを使い、傷の両側を挟んで端の方からバキッとやると簡単。

感光膜の除去と洗浄

ここまで来ると感光膜は不要になるので取り除きます。クレンザーで磨いても取れますが、おすすめの方法は全体を再度露光させて、工程で取っておいた現像液で現像してしまう方法。太陽に数分間当てると現像液ですぐに溶かせる状態になります。

フラックスを塗布する

プリント基板の銅箔面全体に薄くフラックスを塗ります。これは、ハンダのノリを良くするためと、銅箔面の酸化を防ぐために重要なので、エッチングが終わったらなるべく早く行うようにしましょう。1日とか置くとハンダのノリが少し悪くなります。

完成した自作基板注意するポイントは塗る量。タップリ塗れば良いというわけでもありません。適度に薄く塗るのがコツです。

プリント基板自体の製作は以上で完了ですが、この後にも大切なポイントがあります。

部品の実装

綺麗に仕上げるポイントの一つは、なるべく銅箔に指が触れないように注意しながら作業するという点です。銅箔に指紋がベタッと付いたりすると汚いですからね。

でも、どうしても触れてしまうこともあるので、少なくとも1時間おきに手を洗って汗と皮脂を洗い流すようにしましょう。

キレイな自作基板実装面倒ですがこれらを守って作業すると、とても綺麗に仕上げることができます。

コーティング(レジスト)

部品を実装したら、最後にプリント基板の銅箔面をコーティングして保護します。

専門の業者で作った基板ではレジストと呼ばれる緑色や青色の絶縁皮膜で覆われているので良いのですが、自作基板ではちゃんとしたレジストをすることができないので、銅箔面の保護を考える必要があります。

銅箔面に無洗浄タイプのフラックスが残っている場合は、そのまま放置しておいても一応は保護されます。ただし、フラックスの保護能力は低いので、時間が経つと銅箔面が酸化して茶色くなってきます。

コーティング剤を塗布する

基板用のコーティング剤として、サンハヤトの「ハヤコート」というのがあります。これは優れた絶縁性や防湿性を持っていて、スプレーするだけで耐久性のある基板を作ることができます。

ハヤコートハヤコート AY302
サンハヤトの絶縁コーティング剤。コーティングした後でもちょっとやりにくくはなりますが一応ハンダ付けできます。

コーティング剤を塗布する時は、基板のハンダ面を洗浄してからスプレーすることをおすすめします。フラックスだけでなく、目に見えないハンダクズやゴミなどを取り除くことで、電気的にも見た目にも美しく仕上げることができるからです。

基板用フラックス洗浄剤 20ml BS-W20B基板用フラックス洗浄剤
フタに小さな筆が付いているので固くこびり付いたフラックスをピンポイントに洗浄できます。スプレータイプと併用すると良い。
フラックスクリーナー FL-300フラックスクリーナー FL-300
主成分はアルコールで実はそんなに洗浄力は高くないのですが、スプレータイプなので広い面を洗い流せます。

最悪はそのままフラックスの上からスプレーしても良いでしょう。そのまま放置しておくよりかは、ずっと耐久性の高い基板になります。

ちなみに、ハヤコートは振ったらダメです。振ってしまうと泡立ってブツブツが残ります。また、説明書では完全乾燥までに1日かかると書かれていますが、ドライヤーを当てると結構すぐに乾きます。

それから、ハヤコートには緑や赤といった色付きもありますがクリアをおすすめします。色が付いていると塗りムラが目につきやすくキレイに仕上げるのが難しいです。
それに、ハンダの銀色も緑色になってしまって、コーティングというよりもなんだかペイントしたみたいな感じになってしまうんですよね。

※参考:クイックポジ感光基板の作り方(サンハヤト)

両面基板の作り方

多層基板は無理ですが、両面基板なら結構簡単に自作できます。
基本的には片面基板と一緒なんですが、両面ならではのポイントを説明します。

基板の材質はガラスエポキシ

加工しやすい紙フェノールでは両面基板は作れません、というか売られていません。ガラスコンポジットの両面もないので、必然的にガラスエポキシ基板を使うことになります。

表と裏の接続方法

一般的にはスルーホールを使って表裏パターンを接続します。サンハヤトの「スルピンキット」を使えば、穴径0.8mmのスルーホールをマウントできます。

スルピンキットBBR-5208スルピンキット BBR-5208
スルーホールピンやインサーターなど必要な工具がセットになったスルーホール加工キット。ただ、少々手間がかかります。

その他に、スズメッキ線を使った簡単な接続方法もあります。部品のリードの切れ端でも良いんですが、穴に挿入して表と裏をハンダ付けするという方法です。当方ではこれを思いついて以来、ずっとこの方法でやってます。

表裏パターンの接続方法やり方の例。
まず、基板の下にカードなどを挟み込んで隙間を作り、上からスズメッキ線を挿入してハンダ付けします。

表裏パターンの接続方法裏返して突き出た部分をハンダ付けします。
加熱しすぎると反対側のハンダも溶けてくるので素早くやるのがコツ。

部品の足(切断したやつじゃなくて)を接続ポイントにしても良いです。

いずれにせよ、表と裏を接続するランドは少し大きめにしておけば多少ズレても大丈夫。当方では、いつも直径2.2mmの丸ランドに0.7mmの穴を開けています。

フィルムの反転印刷

表と裏のどちらかを反転印刷する必要があります。表側(部品面)から見たパターン図なら表側を反転印刷、裏側は通常印刷します。

露光作業のポイント

両面基板製作の大きなポイントは、やはり表裏のズレをいかに小さくするかです。表と裏を露光するとき、基板の同じ角を原点にしてフィルムを合わせるようにしましょう。
例えば、裏側の時は基板の左上、表側の時は基板の右上に合わせてという具合です。
また、露光時間も表裏で同じになるようにします。

現像作業の注意点

当然ですが、現像量は表裏とも同じ程度に行わないと失敗の元です。スプレー現像剤は反対側にタレて回り込むので使ってはいけません。片面基板と同じように、現像液の中に基板を浸す方法で現像するようにしましょう。

 
自作両面基板の実装例(部品面)自作両面基板の実装例(部品面)

自作両面基板の実装例(裏面)自作両面基板の実装例(裏面)