Oreo の構造: PCB 内にコンポーネントを隠す

ここ数カ月、回路基板内のコンポーネントを隠す機能が注目を集めています。 これは、エンジニアが美しい電子アート作品を作成する、急成長するバッジライフ運動に遡ることができます。 また、この関心は、ジョーダン・ロバートソン氏とマイケル・ライリー氏が、アップルがマザーボード内に埋め込まれたコンポーネントを使用した中国のスパイの標的であると主張した、ブルームバーグのビッグハックの影響によるものであると考えることもできます。 大規模なハックの話には根拠がありましたが、これまでのところ、このハッキングの存在を示す証拠は明らかにされておらず、関与した企業や政府はすべて、このようなものが存在することを否定しています。

とはいえ、PCB 内にコンポーネントを埋め込むことは興味深い議論のテーマであり、PCB 製造の価格が下がったおかげで (このプロジェクト全体で回路基板に 15 ドルかかりました)、愛好家がこの技術を実験することが可能になりました。

しかし最初に、「グラスファイバーの中にコンポーネントを詰める」ことを実際に何と呼ぶのかを定義することが重要です。 私の研究では、「埋め込みコンポーネント」という用語が繰り返し登場しますが、これはまったくグーグル検索できず、「埋め込み」とはまったく別の意味であるため、本当にひどい名前です。 PCB 製造技術を「組み込みコンポーネント」と呼んで、人々がそれをインターネット上で見つけることを期待することはできません。 より適切な用語が見つからないので、私はこれを「オレオ構造」と呼んでいます。これは、「もの」に対する私の偏向と、何かと呼ぶ必要があるためです。 材料が真ん中にあるので、私たちは今、それを「オレオ建設」と呼んでいます。 これは、標準的な PCB 設計ツールと安価な中国の基板ハウスを使用して行う方法です。

このビルドの直接のインスピレーションは、designer2k2 とフラットパックのクリスマス オーナメントから来ています。 このプロジェクトでは、城郭状のピンと一連の穴を使用して、SMD 部品を PCB の上部または下部ではなく側面に取り付けました。 電子部品を PCB の側面にはんだ付けすることは多少新しいことですが、電子部品を PCB の側面に取り付けることは新しいことではありません。 Lumen Electronic Jewelry は、PCB のミリング層のカットアウト内にコンデンサと USB ポートが取り付けられた PCB の「ハート」ピン (右) を製造しています。 同様に、他の PCB プロジェクト (主に PCB 名刺) では、ミリング層のカットアウトに他のコンポーネントを取り付ける実験を行っています。 私は、ガラス繊維の間にバッテリーを捕捉する 2 つの「タブ」を備えた PCB カットアウトを使用するコイン型電池ホルダーを見てきました。

グラスファイバーと銅のスタック内にコンポーネントを埋め込むというアイデアは、小規模な趣味の世界ではこれまで見たことがありませんが、実現可能です。 組み込みコンポーネント (またしてもグーグルでは検索できない用語がありますが) は、非常に高価な製品で実現できます。 これを行う理由は、物理スペースの節約、EMI シールドの向上、リバース エンジニアリングを困難にするなど多岐にわたります。 これは軍事および航空宇宙部品のための技術であり、価格は問題ではありません。

軍事および航空宇宙関連の作業用のボードは別の話ですが、昨年は、すべて間違った理由にもかかわらず、組み込みコンポーネントに関して大量の議論が行われました。 ブルームバーグのビッグハックは、中国のハッカーにバックドアを与える追加コンポーネントを備えた、Apple と Amazon に出荷された Supermicro マザーボードに関する記事でした。 この話は広く批判され、Apple と Amazon は侵害されたマザーボードを発見したことを熱烈に否定しており、私は今でも Supermicro が名誉毀損訴訟で訴訟を起こすのではないかと期待しています。 しかし、この話は、そのようなハッキングがどのようにして起こるのかについて多くの議論を引き起こしました。 Twitter 界のトップの人々は、マザーボードの PCB 内のベースボード管理コントローラーとフラッシュ メモリの間に小型のマイクロコントローラーを埋め込むことでこれが実現できると考えています。 いくつかの PCB 層の間に挟まれたこの小さなマイクロコントローラーは、理論的には BMC のフラッシュの数ビットを変更して攻撃者にバックドアを与える可能性があり、Trammel Hudson は CCC でこの架空のハッキングの動作理論について興味深い講演を行いました。 可能性の範囲内ではあるが、Smart Money によれば、Amazon や Google に出荷された Supermicro マザーボードではこのようなことは起こらなかったという。 いずれにしても、X 線検査やフライング プローブ テストでさえも、PCB に「埋め込みコンポーネント」が存在することが明らかになります。

このビルドでは、PCB の層をはんだで機械的に接合することで、これらのテクニックをわずかに拡張しました。 これは以前、Voja Antonic と FR4 からエンクロージャを構築する彼の仕事によって行われました。 彼のアプローチは、エンクロージャの各側面の周囲に裸の銅のストリップを作成することでした。 エンクロージャのこれらの側面を正しい角度で取り付けることにより、PCB の 2 つの平面を 3 次元形状にはんだ付けすることは、周囲の露出した銅にはんだごてを当てるのと同じくらい簡単です。

スタックアップ内の各 PCB には、周囲に沿って銅が露出しています。 はんだペーストを塗布し、基板をクランプで固定することで、リフローの対象となります。

オーブンの熱にも耐えられるので、クランプ方法としてカプトンテープを使用しました。 焼いた後、エッジをきれいにするために必要なのはサンドペーパーだけです。

このビルドの回路はギター ペダルです。 より具体的に言うと、これは Dallas Rangemaster を少し改造したもので、実際の回路図は Fuzz Central (RangeBlaster) から借用したものです。 この PCB 技術をギター ペダルの形で実証し、特に Rangemaster 回路を使用する理由はいくつかあります。

特にレンジマスター回路は非常にシンプルな回路であるため選ばれました。 単一のゲルマニウム トランジスタと少数の抵抗とキャップだけです。 Rangemaster 回路を PCB 内に配置するという私の選択は、単純に部品数によって決まりました。 それは何かを行う最も単純な回路です。 ギターペダルでこのテクニックをデモンストレーションすることについては、もっと邪悪な理由があります。 ギターペダルの市場は、オーディオマニアの市場よりもさらに意味がありません。 回路を思いついてエポキシでコーティングすれば、1,000 ドルのペダルを作ったことになります。 いいえ、それは冗談ではありません。 私は単に、興味深い製造プロセスで消費者のだまされやすさを利用しているだけです。

回路の基礎はまさにギター ペダルに期待されるものです。3PDT フットスイッチ、1/4 インチ ジャックのペア、2.1mm DC ジャック (Boss のためセンター マイナス)、および標準的な PCB マウント ポットがあります。 10k、オーディオテーパー。 回路のアクティブ部分は、TO-5 パッケージ内のビンテージ OC44 トランジスタです。 完成した PCB に表示されるコンポーネントはこれらのみです。

この回路基板は、最初にスルーホール コンポーネントを論理的な場所にレイアウトし、次に表面実装コンポーネントを適切な場所にドロップすることによって構築されました。 繰り返しますが、これは回路図に示すように、部品数が 12 個未満の非常に単純な回路です。 それが完了したら、PCB を新しいファイルにコピーし、部品の周囲にカットアウトを追加するだけで済みます。 このボードは Eagle で作成されており、ボードに多くのレイヤーを追加して、それを CAM マネージャーに追加してガーバーを作成できるようになりました。

この技術の本当の「コツ」は、PCB スタックアップ内にコンポーネントをカプセル化することです。 これは、各層の標準的な厚さ 1.6 mm の PCB で実行できますが (完全なカプセル化には 3 つの層が必要で、最終的な厚さは 4.8 mm になります)、私は最上層と最下層に 0.6 mm 厚の PCB を使用しました。 最終的な厚さは 2.8mm となりました。 これは、組み立てられた部品が PCB のスタックとして頭の中に記録されないほど十分に薄いです。 これは単なる通常の PCB であると簡単に信じられるほど、十分に薄いです。

PCB を作成するのは簡単です。基板ハウスで何ができるかを知っていれば、基板上に内部カットアウトを作成するのも簡単です。 これまでの千語にはまったく新しいことはありません。 オレオを作るコツは、層を機械的に結合することです。 これは接着剤や樹脂を使って行うこともできますが、Voja の作品を参考にして、はんだを使用して PCB の 1 つの層を別の層に取り付けることにしました。 これは、周囲の銅配線によって行われ、グランド プレーンや配線からは切り離されています。

組み立てプロセスは、最下層のボードに表面実装コンポーネントを実装し、できれば鉛フリーのはんだペーストを使用してはんだ付けするだけで簡単です。 次に、有鉛はんだペーストを周囲のトレースに塗布し、基板をクランプで固定し、アセンブリ全体をリフローオーブンに投入します。 その後は、スルー ホール コンポーネントを実装するだけです。

これらの異なる PCB を接続するために考えたアイデアは他にもあります。 小さなワイヤーを使用して、各層を位置合わせし、はんだで機械的に接着することで、それらをビアやスルーホールで「縫い合わせる」ことができました。

PCB スタック内にコンデンサ、抵抗、マイクロコントローラーを埋め込むことはできますが、制限があります。 何よりもまず、Rangemaster クローン回路には 47 μF のコンデンサが必要です。 この値は小型の SMD キャップには大きすぎます。この値で見つけられる (物理的に) 最小のキャップは厚さ 10 mm 程度です。 厚さ 0.5 インチの回路基板が必要でない限り、これらのキャップは大きすぎます。 この問題の回避策は、多くのキャップを並行して追加することです。

これは別の問題を引き起こします。 オリジナルの回路では、小さなセラミックコンデンサではなく、電解コンデンサが使用されていました。 セラミック キャップのアレイを使用しているため、実際の静電容量はアレイ内のすべての静電容量の合計よりも小さくなります。 MLCC コンデンサは、バイアスがかかると定格を下げる必要があり (バイパス キャップとして使用する場合と同様)、私が「構築した」コンデンサは回路内で正しい値を持ちません。 はい、セラミックコンデンサの静電容量は電圧に依存しますが、コンデンサをさらに追加するだけでこれを回避できます。

さらに、この技術を使用するプロジェクトでは大きな部品を使用できません。 小規模なブースト電源を使用するプロジェクトの場合は、おそらく比較的大きなインダクタを使用することになります。 頑丈な電源に十分な定格のインダクタは、FR4 の単層に埋め込むには高すぎるでしょう。 同じことは、高電力を扱うコンポーネントにも当てはまります。コンポーネントは通常、物理的に大きく、熱を放散する必要があるためです。後者は、グラスファイバー ボックス内に効果的に閉じ込められているコンポーネントにとっては問題です。

問題はあるものの、これは PCB 製造の興味深い技術です。 カスタムメイドの PCB の価格の低下 (このプロジェクト全体の基板のコストは合計 15 米ドル未満) と組み合わせると、多くの PCB 職人がこの技術を採用するのが見られると予想されます。

このプロジェクトは、オレオ構造で何が可能であるかを実証しただけですが、芸術的な PCB の大きな進歩を考えると、これが可能なことの限界では決してありません。 現在、リバースマウント LED の黄金時代を迎えていることを考えると、ドライバーと巨大なマトリックスの LED をグラスファイバー内にカプセル化することが可能です。 Oreo 構造では、PCB 全体がオフのときは単なるグラスファイバーのレンガになり、オンのときは輝く長方形になります。

この Oreo 構造のギター ペダルがどんなサウンドなのか気になるなら、それは Rangemaster トレブル ブースターです。 クイーンのブライアン・メイのギター・ワークが最も有名な例でしょうが、ブライアン・メイは少々独特すぎて、これがどのようなサウンドなのかを実際に理解することはできません。 より良い例は、ツェッペリンの最初の 2 枚のアルバムに収録されているブラック・サバスのトニー・アイオミ、あるいはブルース・ブレイカーズのアルバムに収録されているクラプトンでしょう。 音に関してはかなりの領域がありますが、これは私が作成したものよりも優れた Rangemaster のデモです。 いずれにしても、この背後にある全体的なアイデアは、PCB 内に可能な限り最も単純な回路を構築することであり、派手なことをすることではありません。 Rangemaster は 1 つのトランジスタなので、それを私が作りました。