玻璃PCB LED立方体的制作图解

第1步：物料清单

LED立方体只包含少量材料如下所列

显微镜载玻片（25.4 x 76.2 x 1 mm），例如amazon.de

铜带（0.035 x 30 mm），例如ebay.de

DotStar Micro LED（APA102-2020），例如， adafruit或aliexpress

原型PCB板（50 x 70 mm），例如amazon.de

arduino nano，例如amazon.de

PCB垫片，例如amazon.de或aliexpress

显微镜载玻片将作为PCB的基质。我决定将它们切成25.4 x 25.4毫米大小的正方形片。铜箔应足够薄以便进行蚀刻，而1密耳（0.025 mm）通常是PCB的标准，0.035 mm的厚度可以很好地工作。当然，铜带的宽度应大于25.4mm以覆盖玻璃基板。我决定在较小的2020可用包装中使用DotStar LED。这些LED具有内置控制器，允许您使用单条数据线寻址所有LED，即不需要移位寄存器或查询复用。显然，DotStar LED有两种不同的焊盘布局（见上文）。我设计的PCB布局如左图所示。你需要64个LED用于立方体，我订购了100个有一些备用的LED，也可以用于未来的项目。所有东西都将安装在原型PCB板上，该板应足够大，以便arduino nano适合它。我从一个50 x 70毫米的双面板上切下一小块（单面也可以）。 PCB垫片将作为基座的基座。您还需要一些细线来在原型PCB上进行连接，也可能需要一些“Dupont电缆”进行测试。

制作立方体时，您还需要以下化学品

氯化铁溶液

丙酮

环氧树脂胶，例如Norland NO81或NO61

焊膏

焊剂

通用粘合剂，例如UHU Hart

为了从玻璃基板上蚀刻铜，我从当地一家电子商店获得了40％的氯化铁溶液。我使用氯化铁，因为它便宜且易于获得，但是，有一些缺点，你还应该考虑其他蚀刻剂，如过硫酸钠。可在此处找到不同蚀刻剂及其上下限的概述。我使用调色剂转印方法制作PCB，并在蚀刻后使用丙酮除去调色剂。要将铜箔粘合到玻璃基板上，您应该得到一种透明的环氧树脂胶，它具有耐温性（因为焊接），理想情况下也耐丙酮。我发现特别是后者很难找到，但是，大多数环氧树脂对丙酮有轻微的抵抗力，这足以达到我们的目的，因为我们只需要用它擦拭表面。我决定使用UV固化环氧树脂Norland NO81，主要是因为我在一家销售这种东西的公司工作。最后，我并不高兴，因为环氧树脂不能很好地粘附在玻璃基板上，尽管它特别设计用于将金属粘合到玻璃上。在他的教程中，CNLohr使用这种环氧树脂，您可能需要另外考虑。要将LED焊接到PCB上，您需要焊膏，我建议使用低熔点的LED来降低LED和环氧树脂的应力。您还应该获得一些固定焊桥的助焊剂。最后，我们需要一些粘合剂将玻璃PCB粘合到基座上。我使用通用粘合剂UHU Hart，但可能有更好的选择。

此外，您需要以下工具进行此构建。

激光打印机

层压机

玻璃切割器

热风焊接站

小烙铁

调色剂转印方法需要激光打印机，喷墨打印机在这里不起作用。我用层压机将碳粉转移到铜上。虽然也可以用熨斗做到这一点，但我发现层压机可以提供更好的效果。热风焊接台用于焊接SMD LED，也可以（也可能更方便）使用热板或回流炉进行此操作，但您可能仍需要热空气焊接站进行返工。此外，建议使用带有小尖端的烙铁来固定焊桥并在基板上进行连接。您还需要一个玻璃切割器将显微镜载玻片切割成方块。

步骤2：打印PCB布局

DotStar LED将安装在4个相同的PCB上，每个PCB包含4x4 LED阵列。我用Eagle完成了PCB的布局并将其导出为pdf文件。然后我镜像了布局，在一个页面上排列了几个，并且还添加了一些标记以便在之后将它们剪切掉。这个pdf文件可以在下面下载。我还附加了Eagle文件，以防您想对电路板布局进行任何更改。另外，我做了一个焊接模板的布局，可以用相同的铜箔蚀刻。模板是可选的，但它可以更容易地将焊膏散布到PCB上。如前所述，布局应使用激光打印机打印。您不能使用普通纸，但应使用某种光面纸。有一种特殊的墨粉转印纸（参见例如此处），但许多人只是使用杂志上的纸张（例如宜家目录）。墨粉转印纸的优点是转印后更容易从铜中取出纸张。我试过这张墨粉转印纸和一些杂志页面，发现杂志页面效果更好。我的墨粉转印纸的问题是墨粉有时会在之前擦掉，例如，在剪切个别布局时，我建议使用其他品牌。在CNLohr已经提到的教程中，他使用了这个可能更好的品牌。在打印完PCB和焊接模板的布局后，用精确的刀切出它们。原则上你只需要四个PCB布局和一个模板，但是至少两倍于所有传输都不可能工作的数量肯定是有用的。

步骤3：制作铜包裹在玻璃上

首先，您必须使用玻璃切割器将显微镜载玻片切成方块。您可以方便地在youtube上找到几乎所有内容的教程。通过搜索“显微镜载玻片切割”，我发现本教程向您展示了它是如何完成的。让这个很好地工作有点棘手，我浪费了很多显微镜幻灯片，但如果你像我一样订购100件，你应该有足够的方法。同样，我建议根据需要制作至少两倍的基材（大约8-10个），因为在此过程中您可能会犯一些错误。之后，将铜带切割成比方形玻璃基板稍大的块。用酒精或丙酮清洁基材和铜箔，然后将它们粘在一起。确保胶水内没有气泡。如前所述，我使用了Norland NO81，这是一种快速UV固化粘合剂，推荐用于将金属粘合到玻璃上。我还按照CNLohr的说明，将铜箔的一面粗糙化，使其更好地贴在玻璃上。回想起来，我可能会在没有粗糙的情况下这样做，因为这会使光线透过PCB稍微散开，我宁愿让它们看起来更清晰。另外，我对胶水粘在玻璃上的效果并不高兴，发现边缘有时会剥落。我不确定这是由于固化不当还是由于胶水本身造成的。在未来，我肯定会尝试其他一些品牌。为了固化，我使用紫外灯来检查钞票，这些钞票恰好在正确的波长（365纳米）处具有发射峰值。固化后，用精确的刀切掉重叠的铜。对于焊接模板，我还切割了一些额外的铜箔而没有将它们粘合到基板上。

步骤4：传输PCB布局

现在必须将激光打印的墨粉转移到铜上，这是通过加热和加压完成的。起初我用熨斗尝试了这个，但后来又使用了层压机。上图显示了两种技术与早期版本PCB布局的比较。可以看出，层压机产生了更好的结果。大多数人使用可以加热到更高温度的改良层压机。在他的教程中，CNLohr首先使用层压机，然后用铁加热。我只是使用了一个标准的层压机，而且没有铁就能很好地工作。为了转移，我将激光打印面朝下放在铜上，并用一小块胶带固定。然后我将它折叠成一小张纸，然后通过层压机运行约8-10次，同时在每次运行后将其倒置。之后，我将带有激光打印纸的基材放入一碗水中，浸泡几分钟，然后小心地将纸张剥离。如果使用墨粉转印纸，纸张通常很容易脱落，不会留下任何残留物。对于杂志纸，我不得不用拇指轻轻擦掉剩下的一些纸。如果转印不起作用，您只需用丙酮清除铜上的碳粉，然后再试一次。焊料模板布局以相同的方式转移到裸铜箔上。

步骤5：蚀刻铜

现在是蚀刻铜的时候了。在此过程中，除了受调色剂保护的区域外，铜将从基板上除去。为了使用焊接模板布局保护铜箔背面，您只需使用永久性标记进行涂漆即可。我应该提一下，当使用氯化铁等蚀刻剂时，你当然应采取一些保护措施。虽然氯化铁不会在你的皮肤上燃烧，但它至少会产生令人讨厌的黄褐色污渍，因此绝对推荐使用手套。此外，您可能不会对酸对眼睛有害这一事实感到惊讶，因此您应该佩戴护目镜。据我所知，蚀刻过程中没有产生气体，但你仍然可以在通风良好的区域进行此操作，因为新鲜空气总是对你有益;-）将氯化铁溶液装入一个小容器中（你可以保护）通过将它放在一个更大的容器中，你的工作空间不会被意外溢出）。当放入PCB时，我再次按照CNLohr的说明将基板面朝下放入液体中，使它们保持浮在上面。这非常方便，因为您将确切地知道蚀刻何时完成，否则您将无法在蚀刻过程中看到更深的棕色溶液中看到蚀刻。此外，它还使一些对流进入基板下方。对我来说，蚀刻过程大约需要20分钟。在蚀刻掉所有不需要的铜之后，用水冲洗PCB并将其干燥。你应该留下一些漂亮的透明玻璃PCB。最后要做的是用丙酮去除铜迹线上的碳粉。只需用它轻轻擦拭表面，因为丙酮也会攻击胶水。请不要将用过的氯化铁冲洗到排水管，因为它对环境有害（并且可能还会腐蚀管道）。收集容器中的所有物品并妥善处理。

步骤6：焊接LED

根据您的设备和SMD焊接技术，下一部分可能非常耗时。首先，您必须将焊膏放在PCB上将连接LED的焊盘上。如果您已经蚀刻了焊接模板，您可以使用胶带将其粘贴到PCB上，然后只需将焊膏慷慨地涂抹在PCB上。或者，您可以使用牙签将少量焊膏放在每个焊盘上。之后，通常要做的就是放置LED，然后将所有东西放在回流炉（=许多电子爱好者的烤箱）或热板上。但是，我发现这通常会产生一些焊接桥，之后很难将其移除，因为您无法访问LED下方的焊盘。出于这个原因，我首先用我的热空气站熔化焊料，然后使用助焊剂和脱焊编织物用烙铁固定所有焊桥，以去除多余的焊料。然后我用热空气逐个焊接LED。当然，更快的方法是使用热板或烤箱，但我的方法的优点是你可以在每一步后测试PCB。对我来说，焊接几乎有一种冥想的氛围;-）。注意以正确的方向焊接LED，如上图所示。为了测试，我使用了adafruit DotStar库中的“strandtest”示例，并连接了SDI，CKI和GND线，如上所示。事实证明，不需要VCC连接才能使LED点亮，但我发现第一个LED的红色和蓝色总是同时亮起。当VCC也连接时不是这种情况，但是，如果你只有正常数量的手可用，很难连接所有四根电线;-）。

步骤7：准备基础PCB

完成所有装有LED的玻璃PCB后，是时候准备安装它们的底部PCB了。我用原型PCB上的18x19通孔切割了一块，它提供了足够的空间来安装所有组件并进行所有必要的连接，并且在可以连接PCB垫片的边缘处钻有四个孔。通过使用arduino micro而不是arduino nano并选择直径更小的垫片，可以使PCB更小。 PCB的原理图如上所示。首先，您应该将arduino的引脚焊接到PCB而不将它们连接到arduino，因为有些线必须低于arduino（当然我第一次做错了）。还要确保引脚的较长边朝向PCB（即arduino将连接到较长的一侧）。然后使用一些细线进行连接，如原理图所示。所有电线都在PCB底部运行，但焊接在顶部。请注意，您还必须创建四个焊桥，以便通过arduino引脚连接VCC，GND，SDI和CKI。 VCC将连接到arduino 5 V引脚，GND连接到GND，SDI连接到D10，CKI连接到D9。虽然我试图安排所有东西，但是你必须尽可能少地建立连接，所以布线变得有点麻烦。

步骤8：连接玻璃PCB

最后，您可以进行组装的最后一步，即将玻璃基板连接到基座上。我确实从前层开始，它位于基座的一侧，更靠近arduino。通过这种方式，您可以在信号从前到后运行时测试每个图层。然而，由于焊盘面向前方，所以其他层的焊接有点复杂，因为您必须使用烙铁进行焊接。为了连接PCB，我将少量粘合剂（UHU Hart）涂在玻璃PCB的底部边缘（焊盘所在的位置），然后将其牢固地压在底座上，等待它粘得很好。之后，我在PCB的背面（焊盘对面）的底部添加了一些胶水。说实话，我对结果并不十分满意，因为我无法将PCB完全垂直安装。制作某种夹具可能会更好，以确保层保持垂直，直到胶完全干燥。在安装每层之后，我通过在底部的六个焊盘上涂上大量的焊膏来进行焊接连接，以便它们连接到底部PCB上的相应焊点。对于焊接，我没有使用热空气，而是使用普通的烙铁。请注意，对于最后一层，您只需要连接四个打击垫。安装每一层后，我用“strandtest”示例代码测试了多维数据集。事实证明，虽然我事先测试了每一层，但是有一些不良的连接，我不得不重新焊接两个LED。这尤其令人讨厌，因为其中一个位于第二层，我不得不用我的热枪到达。一旦你完成所有工作，构建就完成了。恭喜！

第9步：上传代码

我刚做了一个简单的示例草图上面的视频中显示的动画很少。该代码使用FastLED库并基于DemoReel100示例。我真的很喜欢这个库，因为它已经提供了褪色和亮度的功能，这使得生成漂亮的动画很容易。我们的想法是让您继续制作更多动画，并在评论部分分享您的代码。在示例草图中，我将整体亮度设置为较低的值，原因有两个。首先，在全亮度下，LED非常明亮。其次，所有64个全亮度LED可能比arduino 5 V引脚能够安全地（200 mA）消耗更多的电流。

步骤10：Outlook

有一些可以改进的内容，我已经提到了其中的大多数内容。我想改变的主要是为基础制作专业PCB。这样可以使底座更小，看起来更漂亮，也可以避免手动连接所有东西的烦人过程。我还相信玻璃PCB设计可以使整个立方体进一步小型化。在他（可能）世界上最小的LED立方体的指导下，nqtronix写道，他最初计划使用尺寸为0404的世界上最小的RGB LED，但他没有设法焊接它们。通过使用玻璃PCB，人们可以真正选择世界上最小的LED立方体。在这种情况下，我可能还会使用nqtronix将所有东西都涂在类似于立方体的环氧树脂中。