ต่างหูเมทริกซ์ LED
(mitxela.com)- เพื่อใส่ LED 0201 ให้ได้มากที่สุดบนด้านหน้าของต่างหู จึงคงที่ใส่แบตเตอรี่โลหะของต่างหูสตัด LED สำเร็จรูปไว้ แล้วเปลี่ยนชิ้นตกแต่งอัญมณีกับ LED เดี่ยวเป็น แผงวงจรแบบทำเอง
- ย่อวงจรและเฟิร์มแวร์จากแบดจ์ที่ใช้ CH32V003 เดิมลง 3 เท่า จนทำ เมทริกซ์ 8x8 ระยะพิตช์ 1 มม. ด้วย LED 52 ดวงภายในวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 มม.
- แทนที่จะใช้แผง HDI ราคาแพง จึงทำ บอร์ดแซนด์วิชแบบทำมือ โดยประกบแผง 2 ชั้น 2 แผ่นเข้าด้วยกัน เพื่อพยายามคุมต้นทุนรวมให้ต่ำกว่า 50 ดอลลาร์
- แม้อุปกรณ์ 0201 จะอยู่นอกสเปกของเครื่อง pick-and-place แต่ด้วยการชดเชยตำแหน่งหยิบจากเทปและการจัดแนวหลังรีโฟลว์ ทำให้ส่วนใหญ่ลงตำแหน่งเป็น กริดที่สม่ำเสมอ ได้
- แบตเตอรี่ LR521 ขนาดเล็ก 2 ก้อนไม่สามารถรองรับกระแสเริ่มต้นได้ดีพอ จึงเพิ่มคาปาซิเตอร์ ลดความถี่สัญญาณนาฬิกา และใช้ duty cycle ราว 0.25% เพื่อลดกระแสรวมลงเหลือประมาณ 8mA
เปลี่ยนต่างหูสำเร็จรูปให้เป็นเมทริกซ์ 52 LED
- จุดเริ่มต้นคือการวาง LED 0201 ให้ได้มากที่สุดบนด้านหน้าของต่างหูสตัด
- ต่างหูสตัด LED สำเร็จรูปมีราคาถูกมาก และมีที่ใส่แบตเตอรี่ขนาดเล็กแบบขึ้นรูปสำหรับ เซลล์ LR521 สองก้อน
- ถอดอัญมณีพลาสติกและ LED เดี่ยวออก แล้วนำโครงโลหะกลับมาใช้เป็นจุดต่อไฟเลี้ยงของวงจรใหม่
- ในทางไฟฟ้า วงจรและเฟิร์มแวร์เหมือนกับ แบดจ์ที่ใช้ CH32V003 ที่เคยทำไว้ก่อนหน้า
- ความยากที่สุดคือการย่อแบดจ์ที่มี LED พิตช์ 3 มม. ให้เหลือพิตช์ 1 มม. ทำให้พื้นที่ลดเหลือ 1/9 โดยยังต้องออกแบบโดยไม่มีขอบบอร์ดหนารอบนอก
โครงสร้าง blind/buried via แบบทำมือแทน HDI
- แผงหลายชั้นที่มี blind via หรือ buried via สามารถให้ความละเอียดที่ต้องการได้ แต่การผลิตแผง HDI ขนาดเล็กก็เริ่มต้นที่หลายร้อยดอลลาร์
- เพื่อรักษาค่าใช้จ่ายรวมของโปรเจกต์ให้ต่ำกว่า 50 ดอลลาร์ จึงเลือกวิธีประกบแผง 2 ชั้นสองแผ่นเข้าหากันด้วยการจัดเรียงแพดบัดกรี
- แพดส่วนใหญ่วางไว้รอบขอบเพื่อให้ตรวจสอบการเชื่อมต่อได้ แต่ในทางปฏิบัติก็ยังมีข้อจำกัดว่าต้องแยกแผงออกจากพาเนลก่อนจึงจะตรวจได้
- รูเจาะ via มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.25 มม. เล็กกว่าค่าต่ำสุดทั่วไป 0.3 มม. ของตัวเลือก PCB ที่ถูกที่สุด จึงเข้าไปอยู่ในช่วงราคาถัดไป
- เมื่อระยะห่างระหว่าง LED ลดเหลือ 1 มม. ความไม่สม่ำเสมอของความหนาทองแดงรอบรูชุบก็กลายเป็นปัญหาที่มองเห็นได้ชัด
ประกอบเมทริกซ์ 8x8 พิตช์ 1 มม.
- หน้าจอหลักคือ เมทริกซ์ 8x8 พิตช์ 1 มม. และมีการตัดมุมให้เข้ากับรูปทรงวงกลม เพื่อใส่ LED 52 ดวงภายในวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 มม.
- พาเนลมีความกว้างด้านบนและด้านล่าง 5 มม. และขนาดรวมคือ 23 มม. × 28.5 มม.
- ทาซอลเดอร์เพสต์ด้วยสเตนซิลบนแผงแผ่นหนึ่ง แล้ววางอีกแผงที่ไม่ได้ทาเพสต์ทับด้านบนเพื่อสร้างโครงสร้างแบบแซนด์วิช
- แผงแต่ละแผ่นหนา 0.6 มม. ดังนั้นหลังประกบแล้วความหนารวมจะมากกว่า 1.2 มม. เล็กน้อย
- หากใช้ตะกั่วบัดกรีที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ก็อาจลดความเสี่ยงที่รอยต่อจะหลุดในภายหลังได้ แต่ด้วยข้อจำกัดของแพดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 มม. และซอลเดอร์เพสต์ที่มีอยู่ จึงดำเนินการแบบปกติ
ลองผิดลองถูกกับสเตนซิลและการวางชิ้นส่วน 0201
- ในสเตนซิลเหล็กได้ใส่หลายดีไซน์ไว้ด้วยกัน และมีราคาถูกพอที่แม้จะสั่งเฉพาะสเตนซิลสำหรับแผงเดียวก็คุ้มค่า
- ความผิดพลาดข้อแรกคือไม่ได้ใส่ fiducial ไว้ในสเตนซิล
- แผงแรกยังตรวจการจัดแนวได้จากแพด QFN
- แต่หลังจากตัดแผงหนึ่งออกจากพาเนลแล้ว การจัดแนวของแผงที่สองกลับยากมาก
- ความผิดพลาดข้อที่สองอาจเป็นการทำช่องสำหรับแพด 0201 เล็กเกินไป
- ถ้าทำให้ใหญ่ขึ้นอีกเล็กน้อย อาจช่วยลดภาระในการทำงานกับสเตนซิลได้
- ในความพยายามครั้งแรก แพดส่วนใหญ่ออกมาดี แต่บางจุดมีเพสต์ไม่พอ และต้องปรับแรงกดกับความเร็วของสกวีจีให้แม่นจึงจะได้ผลลัพธ์คุณภาพสูง
- หลังทำต่างหูข้างแรกไม่ได้ทำความสะอาดสเตนซิลให้ดีพอ คราบตกค้างที่เหลือจึงแห้ง และทำให้งานของต่างหูข้างที่สองยากขึ้น
วาง LED 0201 ด้วยเครื่อง pick-and-place
- แม้การวาง LED 0201 จำนวน 52 ดวงด้วยมือจะไม่ถึงกับเป็นไปไม่ได้ แต่เป้าหมายคืออยากพิสูจน์ว่าสามารถทำด้วยเครื่อง pick-and-place ได้หรือไม่
- ชิ้นส่วน 0201 อยู่นอกสเปกที่ระบุของเครื่อง แต่หัวดูดสุญญากาศที่เล็กที่สุดก็ดูไม่มีปัญหาใหญ่ในการหยิบชิ้นส่วน
- ปัญหาแรกเริ่มไม่ได้อยู่ที่ความแม่นยำในการวาง แต่อยู่ที่ การป้อนเทป มากกว่า
- ถ้าโต๊ะสั่นระหว่างเครื่องทำงาน LED 0201 จะกระเด็นออกจากเทปที่ลอกฟิล์มป้องกันออกแล้วได้ง่าย
- รูบนเทปมีระยะ 4 มม. แต่ชิ้นส่วน 0402 และ 0201 มีระยะห่างระหว่างชิ้นเล็กกว่านั้น
- สำหรับเทปที่มีระยะ 2 มม. เครื่องต้องเลื่อนครั้งละครึ่งสเต็ปแทนที่จะเป็นหนึ่งสเต็ป
- เพื่อให้หยิบได้เสถียร จึงใส่ออฟเซ็ตให้กับตำแหน่งที่เครื่องใช้หยิบชิ้นส่วนจากเทป
- ตำแหน่งเริ่มต้นอยู่ห่างจากบริเวณที่ลอกฟิล์มเกือบ 4 มม. ทำให้มีโอกาสที่ชิ้นส่วนจะกระเด็นออกมาได้มาก
- ผลการวางครั้งแรกมีความคลาดเคลื่อนอย่างเป็นระบบโดยเยื้องลงด้านล่างเล็กน้อย แต่ความสม่ำเสมอระหว่างชิ้นส่วนถือว่าดี
- LED บางดวงเอียงอยู่บ้าง แต่สามารถดันแก้ด้วยมือได้ และหลังรีโฟลว์เกือบทั้งหมดก็กลับมาเรียงเป็น กริดที่แม่นยำ
การต่อไฟและแก้ปัญหาพลังงานของต่างหู
- วงจรเดิมของต่างหูใต้ชิ้นอัญมณีพลาสติกมีบอร์ดขนาดเล็กและชิ้นส่วนสองชิ้น
- เคสแบตเตอรี่เป็นขั้วบวก และลวดเส้นเล็กตรงกลางของก้านเป็นขั้วลบ ดังนั้นวงจรใหม่เพียงต่อเข้ากับสองจุดนี้ก็พอ
- ในตอนแรกมีการบัดกรีและประกอบโดยที่ยังไม่ได้ทดสอบวงจรครบถ้วน แต่ไม่นานก็ต้องแกะออกมาแก้ไขอีกครั้ง
- เฟิร์มแวร์เดิมกินไฟมากเกินไป แบตเตอรี่ก้อนเล็กจึงรับกระแสไม่ไหว และแรงดันตกจน CH32V003 brownout detector รีเซ็ตชิป
- แม้ในสภาพที่ติดตั้งอยู่ก็ยังสามารถโปรแกรมใหม่ได้ แต่ยุ่งยากมาก
- ใช้คลิปจระเข้ต่อกับขั้วบวก
- ใช้ลวดเส้นหนึ่งแตะที่ปลายเพื่อทำขั้วลบ และอีกเส้นแตะด้านในเพื่อสัมผัสขา debug
- เพื่อให้ไฟเลี้ยงเสถียร จึงเพิ่มคาปาซิเตอร์ 22uF และ 0.1uF แบบขนาน
- คาปาซิเตอร์เซรามิกค่ามากที่มีขนาดเล็กทางกายภาพอาจมีความต้านทานภายในสูง ดังนั้นการขนานหลายค่าร่วมกันจึงอาจช่วยได้
- ความถี่สัญญาณนาฬิกาของชิปลดจาก 48MHz เหลือ 1.5MHz
- การเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลต่อการเชื่อมต่อดีบักเกอร์ด้วย
- ปกติสามารถกู้คืนได้ด้วยยูทิลิตีที่เชื่อมต่อทันทีหลังเปิดไฟใหม่ แต่ในโครงสร้างต่างหูแบบนี้การควบคุมไฟเลี้ยงเพื่อการดีบักทำได้ลำบาก
- สถานะสุดท้ายคือใช้ duty cycle ราว 0.25% และกินกระแสรวมประมาณ 8mA
ชิ้นงานเสร็จสมบูรณ์และซอร์สโค้ด
- หลังเสร็จแล้ว ต่างหูข้างที่สองก็ทำด้วยวิธีเดียวกัน และยังมีอุปสรรคเพิ่มจากอุปกรณ์ถ่ายวิดีโอที่รบกวนพื้นที่ทำงาน
- มีการลองถ่ายภาพขณะสวมใส่ พร้อมใช้การเปิดหน้ากล้องนานและแฟลชร่วมกันเพื่อให้เกิดภาพเส้นทางการเคลื่อนที่ของ LED
- ซอร์สโค้ดของโปรเจกต์เหมือนกับแบดจ์ และอยู่ที่ git.mitxela.com กับ GitHub
- หลังจากนั้นได้เปลี่ยน LED ที่เสียตรงกลางของต่างหูข้างหนึ่ง และแทนที่จะทำหน้าโปรเจกต์แยก ก็อัปโหลด วิดีโอการซ่อม ไว้
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
ในแง่ดีไซน์ ฉันชอบเวอร์ชันที่ ดูอุตสาหกรรมกว่า มากกว่า และมันให้ความรู้สึกไซเบอร์พังก์มากกว่า แต่ชิ้นนี้ก็เนี้ยบมากเหมือนกัน
ที่น่าทึ่งคือมี RGB LED ขนาด 0.65×0.65 มม. อยู่จริง ซึ่งเท่ากับขนาดด้านยาวของ LED ที่กล่าวถึงในบทความเมื่อยกกำลังสอง ความหนาก็มีแค่ 0.25 มม. เท่านั้น พอๆ กับกระดาษไม่กี่แผ่นเอง ถ้าเอาของแบบนี้ติดบนหน้าแล้วกลืนไปกับเมกอัปอย่างเป็นธรรมชาติ ก็น่าจะสร้างลุคไซเบอร์พังก์ได้ดีทีเดียว ส่วนสายไฟก็หาซื้อแบบบางได้แทบจะเท่าที่ต้องการถ้าอยากได้
ผมไม่รู้ว่ามันทำงานทางไฟฟ้ายังไง แต่รุ่นแพงๆ ดูเหมือนจะมี LED ที่ควบคุมแยกได้ตามแนวเปลือกตาบน และมันดูเท่มาก
จะบอกว่า “เป็นโปรเจ็กต์วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ที่น่าประทับใจนะ แต่จะมีใครอยากใส่มันเป็นต่างหูจริงๆ เหรอ?” ฟังดูเหมือนล้อเล่นเลยนะ ฉันว่าถ้าเป็น ผู้หญิงสาย STEM น่าจะมีหลายคนที่ยอมจ่ายแพงพอสมควรเพื่อเซ็ตแบบนี้
industrial[0] อาจจะล้ำไปนิดจนเข้าถึงยาก ส่วน led-ring variant[1] ก็ดูธรรมดาไปหน่อย แต่ถ้าเป็น LED matrix เต็มๆ นี่อลังการจริงๆ
[0]: https://mitxela.com/projects/scaffold
[1]: https://mitxela.com/projects/charliestar
เจ๋งมาก และฉันรู้จักคนจำนวนไม่น้อยที่คงซื้อสิ่งนี้มาใส่แน่ๆ ถ้าทำเป็นสินค้าได้จริง ทำให้ ชาร์จซ้ำได้ และตั้งโปรแกรม LED ได้ง่าย ก็น่าจะขายได้แน่นอน
ถ้าเว็บไซต์ของฉันดูเหมือนหน้า https://mitxela.com/projects ของผู้เขียนได้เมื่อไร ฉันคงประกาศได้เลยว่าประสบความสำเร็จในชีวิตแล้ว
ฉันลองสเก็ตช์ไอเดียจากสิ่งนี้ต่อเป็น จี้ห้อยคอ, จอ OLED และตัวยึดแบตเตอรี่แยกที่เกี่ยวกับหูเพื่อเชื่อมต่อเข้าด้วยกันไว้ [1]
ดีไซน์คล้ายๆ กันนี้ก็น่าจะดูดีบนเอียร์บัดหรือ IEM ด้วย และจะยิ่งดีถ้าซิงก์แสงกับเพลงได้ พูดจริงๆ เลยนะ ทุกคนน่าจะฝึกการสเก็ตช์ดีไซน์ที่อยู่ในหัวให้เป็น ไม่จำเป็นต้องวาดเก่ง แค่วาดให้สื่อสารได้ก็พอ
ไม่แน่ใจว่าขนาดระดับนี้จะทำได้ไหม แต่ถ้ามีเวอร์ชันที่ทำ แอนิเมชัน หรือเอฟเฟ็กต์การเต้นเป็นจังหวะตามเสียงหรือดนตรีได้แบบเลือกเฉพาะส่วน ก็น่าจะฮิตมากในไนต์คลับ
การซ้อน PCB เป็น แซนด์วิช 2×2 เลเยอร์ แบบนี้ดูเจ๋งมาก สำหรับการผลิตจำนวนน้อย มันน่าจะถูกกว่า PCB แบบ 1-2-1 ด้วย และ Apple ก็ใช้วิธีเดียวกัน
ถ้าเป็นวิดีโอที่พูดถึง Mike Harrison ว่าเป็นแรงบันดาลใจ ผมก็พร้อมจะให้คะแนนบวกไว้ก่อน https://electricstuff.co.uk/
ฉันสงสัยว่าจอ OLED แบบกลม ที่เล็กที่สุดตอนนี้เล็กได้ถึงไหน มี LED ขนาด 01005 ที่เล็กกว่า 0201 ที่ใช้ตรงนี้อยู่อีกหนึ่งขั้น แต่พอถึงระดับนั้นมันก็แทบจะใกล้เคียงกับจอ OLED แล้ว
ณ จุดนี้ ข้อจำกัดใหญ่ที่สุดของการย่อขนาดน่าจะไม่ใช่ตัว LED เอง แต่เป็น via มากกว่า ถ้า LED มีแพด 3 จุด และ 2 จุดด้านนอกเชื่อมถึงกัน เราก็น่าจะทำเมทริกซ์บนบอร์ดหน้าเดียวได้โดยไม่ต้องมี via