FR4 から美しいエンクロージャを構築する方法 — 別名 PCB

May 24, 2023

ほとんどの愛好家は、電子機器の筐体を作るよりも、電子機器の機能的なプロトタイプを構築する方が簡単だと言います。 市場には既製のエンクロージャーがたくさんありますが、それらがまさに必要なものであるとは限りません。 3D プリンターを使用してカスタムの筐体を構築することもできますが、ハイエンドの 3D プリンターは高価すぎ、安価なプリンターで製造される筐体は十分な強度が得られないことが多く、多くの追加処理が必要になります。

もう 1 つの方法は、PCB 製造で一般的に使用される材料である FR4 でエンクロージャを構築することです。 このようなエンクロージャは低コストで、壁が薄いにもかかわらず、非常に強力で、見た目が良く、手触りが良く、熱と湿気の安定性に優れています。 FR4 はさらにいくつかの可能性を提供します - ハウジング内にワイヤを使用しない効率的な配線、統合された UHF または SHF アンテナまたは RFID コイル、容量性スイッチ、電気シールド、選択的半透明性、防水性または気密性、さらには複雑な機械アセンブリの統合など。

ここでは、その「魔法の」囲いを構築するプロセスを説明します。 これは、50 年近くの個人的な経験と、私のプロジェクトのほとんどで構築された 100 を超えるエンクロージャーに基づいています。 以下に 2 つの例を示します。このハードウェア パスワード マネージャーのケースの長さはわずか数センチですが、もう 1 つのケース (息子のシンセサイザー用の輸送用保護カバー) は 125 cm (約 49 インチ) ですが、どちらも耐久性に十分な強度があります。その上に大人の男性が立っています。

全体的なアプローチはシンプルです。片面銅被覆 FR4 のシートを切り取り、部品をはんだ付けします。 簡単そうに聞こえますが、最高の結果を得るには、満たさなければならない詳細がたくさんあります。 それらについてよくお読みください。 ここで説明する手順の一部をスキップしたくなるかもしれませんが、スキップすると、おそらく結果に失望することになるでしょう。

FR4 で作られたエンクロージャには、いくつかの一般的な設計コンセプトがあります。 1 つ目は、すべての電子コンポーネントを備えたメイン PCB を機械ベースとして使用し、その上に 4 つの壁をはんだ付けします。 通常、最初にすべての電子コンポーネントをはんだ付けし、次に PCB をテストし、最後に壁をはんだ付けする必要があります。

メイン PCB には、そのすべてのエッジに沿って幅約 4 mm の銅領域と、スペーサー用の大きなパッドが必要です。 上部および下部のカバーは非常にシンプルで、銅の領域が必要ないため、アクリル、アルミニウム、プラスチックなども使用できます。このコンセプトは、PCB が 1 つだけ含まれる単純なプロジェクトに適しています。 厚い筐体の場合はメンテナンスが不便となるため、お勧めできません。

プロジェクトの要件に応じて整理できる空きスペースがたくさんあるため、より大きく複雑なデバイスに適した別のアプローチがあります。

ネジナットのはんだ付け用に銅の領域を残しておく必要がありますが、エンクロージャ全体が完成するまではんだ付けしないでください。 作業が完了したら、それを閉じて内壁に穴を開け、外側の穴に完全にフィットするようにします。 次に、大量のフラックスを使用してネジナットをはんだ付けします。

すべてのねじナットがはんだ付けしやすいわけではないため、いくつか試してみる必要があることに注意してください。 私の経験では、この点ではニッケルメッキ真鍮ネジナットが最適ですが、入手が困難な場合もあります。 そこで、はんだ付けが非常に簡単な M3x5 mm スペーサー (アルミニウム製ではありません) を使用します。

ネジを使わずにエンクロージャを作成したい場合は、摩擦を利用して 2 つのサブアセンブリをしっかりと固定することができます。 まず筐体の上部（外側）を仕上げてから、下部カバーで内壁の位置を調整します。 外壁は常に中心に向かってわずかに傾いており（その理由は後述します）、箱を閉じるときに多少の摩擦が生じます。

張力を調整するには、内壁を下部プレートにはんだ付けしますが、中心点のみで、壁と下部プレートの間の直角を維持するように努めます。 次にトップカバーを取り付けてみます。 緩すぎたり、きつすぎたりする可能性があるため、ぴったりとフィットするように正しい位置を調整する必要があります。 短い壁に対してこれを繰り返し、壁の長さを下部プレートに、および壁同士をはんだ付けします。 また、内壁の接続端をやすりで磨いて、外壁を接合するはんだ付けのためのスペースを確保する必要があります。