第1步：物料清單

LED立方體只包含少量材料如下所列

顯微鏡載玻片（25.4 x 76.2 x 1 mm），例如amazon.de

銅帶（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墊片，例如amazon.de或aliexpress

顯微鏡載玻片將作為PCB的基質(zhì)。我決定將它們切成25.4 x 25.4毫米大小的正方形片。銅箔應(yīng)足夠薄以便進(jìn)行蝕刻，而1密耳（0.025 mm）通常是PCB的標(biāo)準(zhǔn)，0.035 mm的厚度可以很好地工作。當(dāng)然，銅帶的寬度應(yīng)大于25.4mm以覆蓋玻璃基板。我決定在較小的2020可用包裝中使用DotStar LED。這些LED具有內(nèi)置控制器，允許您使用單條數(shù)據(jù)線尋址所有LED，即不需要移位寄存器或查詢(xún)復(fù)用。顯然，DotStar LED有兩種不同的焊盤(pán)布局（見(jiàn)上文）。我設(shè)計(jì)的PCB布局如左圖所示。你需要64個(gè)LED用于立方體，我訂購(gòu)了100個(gè)有一些備用的LED，也可以用于未來(lái)的項(xiàng)目。所有東西都將安裝在原型PCB板上，該板應(yīng)足夠大，以便arduino nano適合它。我從一個(gè)50 x 70毫米的雙面板上切下一小塊（單面也可以）。 PCB墊片將作為基座的基座。您還需要一些細(xì)線來(lái)在原型PCB上進(jìn)行連接，也可能需要一些“Dupont電纜”進(jìn)行測(cè)試。

制作立方體時(shí)，您還需要以下化學(xué)品

氯化鐵溶液

丙酮

環(huán)氧樹(shù)脂膠，例如Norland NO81或NO61

焊膏

焊劑

通用粘合劑，例如UHU Hart

為了從玻璃基板上蝕刻銅，我從當(dāng)?shù)匾患译娮由痰戢@得了40％的氯化鐵溶液。我使用氯化鐵，因?yàn)樗阋饲乙子讷@得，但是，有一些缺點(diǎn)，你還應(yīng)該考慮其他蝕刻劑，如過(guò)硫酸鈉。可在此處找到不同蝕刻劑及其上下限的概述。我使用調(diào)色劑轉(zhuǎn)印方法制作PCB，并在蝕刻后使用丙酮除去調(diào)色劑。要將銅箔粘合到玻璃基板上，您應(yīng)該得到一種透明的環(huán)氧樹(shù)脂膠，它具有耐溫性（因?yàn)楹附樱硐肭闆r下也耐丙酮。我發(fā)現(xiàn)特別是后者很難找到，但是，大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)丙酮有輕微的抵抗力，這足以達(dá)到我們的目的，因?yàn)槲覀冎恍枰盟潦帽砻妗Ｎ覜Q定使用UV固化環(huán)氧樹(shù)脂Norland NO81，主要是因?yàn)槲以谝患忆N(xiāo)售這種東西的公司工作。最后，我并不高興，因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂不能很好地粘附在玻璃基板上，盡管它特別設(shè)計(jì)用于將金屬粘合到玻璃上。在他的教程中，CNLohr使用這種環(huán)氧樹(shù)脂，您可能需要另外考慮。要將LED焊接到PCB上，您需要焊膏，我建議使用低熔點(diǎn)的LED來(lái)降低LED和環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)力。您還應(yīng)該獲得一些固定焊橋的助焊劑。最后，我們需要一些粘合劑將玻璃PCB粘合到基座上。我使用通用粘合劑UHU Hart，但可能有更好的選擇。

此外，您需要以下工具進(jìn)行此構(gòu)建。

激光打印機(jī)

層壓機(jī)

玻璃切割器

熱風(fēng)焊接站

小烙鐵

調(diào)色劑轉(zhuǎn)印方法需要激光打印機(jī)，噴墨打印機(jī)在這里不起作用。我用層壓機(jī)將碳粉轉(zhuǎn)移到銅上。雖然也可以用熨斗做到這一點(diǎn)，但我發(fā)現(xiàn)層壓機(jī)可以提供更好的效果。熱風(fēng)焊接臺(tái)用于焊接SMD LED，也可以（也可能更方便）使用熱板或回流爐進(jìn)行此操作，但您可能仍需要熱空氣焊接站進(jìn)行返工。此外，建議使用帶有小尖端的烙鐵來(lái)固定焊橋并在基板上進(jìn)行連接。您還需要一個(gè)玻璃切割器將顯微鏡載玻片切割成方塊。

步驟2：打印PCB布局

DotStar LED將安裝在4個(gè)相同的PCB上，每個(gè)PCB包含4x4 LED陣列。我用Eagle完成了PCB的布局并將其導(dǎo)出為pdf文件。然后我鏡像了布局，在一個(gè)頁(yè)面上排列了幾個(gè)，并且還添加了一些標(biāo)記以便在之后將它們剪切掉。這個(gè)pdf文件可以在下面下載。我還附加了Eagle文件，以防您想對(duì)電路板布局進(jìn)行任何更改。另外，我做了一個(gè)焊接模板的布局，可以用相同的銅箔蝕刻。模板是可選的，但它可以更容易地將焊膏散布到PCB上。如前所述，布局應(yīng)使用激光打印機(jī)打印。您不能使用普通紙，但應(yīng)使用某種光面紙。有一種特殊的墨粉轉(zhuǎn)印紙（參見(jiàn)例如此處），但許多人只是使用雜志上的紙張（例如宜家目錄）。墨粉轉(zhuǎn)印紙的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)印后更容易從銅中取出紙張。我試過(guò)這張墨粉轉(zhuǎn)印紙和一些雜志頁(yè)面，發(fā)現(xiàn)雜志頁(yè)面效果更好。我的墨粉轉(zhuǎn)印紙的問(wèn)題是墨粉有時(shí)會(huì)在之前擦掉，例如，在剪切個(gè)別布局時(shí)，我建議使用其他品牌。在CNLohr已經(jīng)提到的教程中，他使用了這個(gè)可能更好的品牌。在打印完P(guān)CB和焊接模板的布局后，用精確的刀切出它們。原則上你只需要四個(gè)PCB布局和一個(gè)模板，但是至少兩倍于所有傳輸都不可能工作的數(shù)量肯定是有用的。

步驟3：制作銅包裹在玻璃上

首先，您必須使用玻璃切割器將顯微鏡載玻片切成方塊。您可以方便地在youtube上找到幾乎所有內(nèi)容的教程。通過(guò)搜索“顯微鏡載玻片切割”，我發(fā)現(xiàn)本教程向您展示了它是如何完成的。讓這個(gè)很好地工作有點(diǎn)棘手，我浪費(fèi)了很多顯微鏡幻燈片，但如果你像我一樣訂購(gòu)100件，你應(yīng)該有足夠的方法。同樣，我建議根據(jù)需要制作至少兩倍的基材（大約8-10個(gè)），因?yàn)樵诖诉^(guò)程中您可能會(huì)犯一些錯(cuò)誤。之后，將銅帶切割成比方形玻璃基板稍大的塊。用酒精或丙酮清潔基材和銅箔，然后將它們粘在一起。確保膠水內(nèi)沒(méi)有氣泡。如前所述，我使用了Norland NO81，這是一種快速UV固化粘合劑，推薦用于將金屬粘合到玻璃上。我還按照CNLohr的說(shuō)明，將銅箔的一面粗糙化，使其更好地貼在玻璃上。回想起來(lái)，我可能會(huì)在沒(méi)有粗糙的情況下這樣做，因?yàn)檫@會(huì)使光線透過(guò)PCB稍微散開(kāi)，我寧愿讓它們看起來(lái)更清晰。另外，我對(duì)膠水粘在玻璃上的效果并不高興，發(fā)現(xiàn)邊緣有時(shí)會(huì)剝落。我不確定這是由于固化不當(dāng)還是由于膠水本身造成的。在未來(lái)，我肯定會(huì)嘗試其他一些品牌。為了固化，我使用紫外燈來(lái)檢查鈔票，這些鈔票恰好在正確的波長(zhǎng)（365納米）處具有發(fā)射峰值。固化后，用精確的刀切掉重疊的銅。對(duì)于焊接模板，我還切割了一些額外的銅箔而沒(méi)有將它們粘合到基板上。

步驟4：傳輸PCB布局

現(xiàn)在必須將激光打印的墨粉轉(zhuǎn)移到銅上，這是通過(guò)加熱和加壓完成的。起初我用熨斗嘗試了這個(gè)，但后來(lái)又使用了層壓機(jī)。上圖顯示了兩種技術(shù)與早期版本PCB布局的比較。可以看出，層壓機(jī)產(chǎn)生了更好的結(jié)果。大多數(shù)人使用可以加熱到更高溫度的改良層壓機(jī)。在他的教程中，CNLohr首先使用層壓機(jī)，然后用鐵加熱。我只是使用了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的層壓機(jī)，而且沒(méi)有鐵就能很好地工作。為了轉(zhuǎn)移，我將激光打印面朝下放在銅上，并用一小塊膠帶固定。然后我將它折疊成一小張紙，然后通過(guò)層壓機(jī)運(yùn)行約8-10次，同時(shí)在每次運(yùn)行后將其倒置。之后，我將帶有激光打印紙的基材放入一碗水中，浸泡幾分鐘，然后小心地將紙張剝離。如果使用墨粉轉(zhuǎn)印紙，紙張通常很容易脫落，不會(huì)留下任何殘留物。對(duì)于雜志紙，我不得不用拇指輕輕擦掉剩下的一些紙。如果轉(zhuǎn)印不起作用，您只需用丙酮清除銅上的碳粉，然后再試一次。焊料模板布局以相同的方式轉(zhuǎn)移到裸銅箔上。

步驟5：蝕刻銅

現(xiàn)在是蝕刻銅的時(shí)候了。在此過(guò)程中，除了受調(diào)色劑保護(hù)的區(qū)域外，銅將從基板上除去。為了使用焊接模板布局保護(hù)銅箔背面，您只需使用永久性標(biāo)記進(jìn)行涂漆即可。我應(yīng)該提一下，當(dāng)使用氯化鐵等蝕刻劑時(shí)，你當(dāng)然應(yīng)采取一些保護(hù)措施。雖然氯化鐵不會(huì)在你的皮膚上燃燒，但它至少會(huì)產(chǎn)生令人討厭的黃褐色污漬，因此絕對(duì)推薦使用手套。此外，您可能不會(huì)對(duì)酸對(duì)眼睛有害這一事實(shí)感到驚訝，因此您應(yīng)該佩戴護(hù)目鏡。據(jù)我所知，蝕刻過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生氣體，但你仍然可以在通風(fēng)良好的區(qū)域進(jìn)行此操作，因?yàn)樾迈r空氣總是對(duì)你有益;-）將氯化鐵溶液裝入一個(gè)小容器中（你可以保護(hù)）通過(guò)將它放在一個(gè)更大的容器中，你的工作空間不會(huì)被意外溢出）。當(dāng)放入PCB時(shí)，我再次按照CNLohr的說(shuō)明將基板面朝下放入液體中，使它們保持浮在上面。這非常方便，因?yàn)槟鷮⒋_切地知道蝕刻何時(shí)完成，否則您將無(wú)法在蝕刻過(guò)程中看到更深的棕色溶液中看到蝕刻。此外，它還使一些對(duì)流進(jìn)入基板下方。對(duì)我來(lái)說(shuō)，蝕刻過(guò)程大約需要20分鐘。在蝕刻掉所有不需要的銅之后，用水沖洗PCB并將其干燥。你應(yīng)該留下一些漂亮的透明玻璃PCB。最后要做的是用丙酮去除銅跡線上的碳粉。只需用它輕輕擦拭表面，因?yàn)楸矔?huì)攻擊膠水。請(qǐng)不要將用過(guò)的氯化鐵沖洗到排水管，因?yàn)樗鼘?duì)環(huán)境有害（并且可能還會(huì)腐蝕管道）。收集容器中的所有物品并妥善處理。

步驟6：焊接LED

根據(jù)您的設(shè)備和SMD焊接技術(shù)，下一部分可能非常耗時(shí)。首先，您必須將焊膏放在PCB上將連接LED的焊盤(pán)上。如果您已經(jīng)蝕刻了焊接模板，您可以使用膠帶將其粘貼到PCB上，然后只需將焊膏慷慨地涂抹在PCB上。或者，您可以使用牙簽將少量焊膏放在每個(gè)焊盤(pán)上。之后，通常要做的就是放置LED，然后將所有東西放在回流爐（=許多電子愛(ài)好者的烤箱）或熱板上。但是，我發(fā)現(xiàn)這通常會(huì)產(chǎn)生一些焊接橋，之后很難將其移除，因?yàn)槟鸁o(wú)法訪問(wèn)LED下方的焊盤(pán)。出于這個(gè)原因，我首先用我的熱空氣站熔化焊料，然后使用助焊劑和脫焊編織物用烙鐵固定所有焊橋，以去除多余的焊料。然后我用熱空氣逐個(gè)焊接LED。當(dāng)然，更快的方法是使用熱板或烤箱，但我的方法的優(yōu)點(diǎn)是你可以在每一步后測(cè)試PCB。對(duì)我來(lái)說(shuō)，焊接幾乎有一種冥想的氛圍;-）。注意以正確的方向焊接LED，如上圖所示。為了測(cè)試，我使用了adafruit DotStar庫(kù)中的“strandtest”示例，并連接了SDI，CKI和GND線，如上所示。事實(shí)證明，不需要VCC連接才能使LED點(diǎn)亮，但我發(fā)現(xiàn)第一個(gè)LED的紅色和藍(lán)色總是同時(shí)亮起。當(dāng)VCC也連接時(shí)不是這種情況，但是，如果你只有正常數(shù)量的手可用，很難連接所有四根電線;-）。

步驟7：準(zhǔn)備基礎(chǔ)PCB

完成所有裝有LED的玻璃PCB后，是時(shí)候準(zhǔn)備安裝它們的底部PCB了。我用原型PCB上的18x19通孔切割了一塊，它提供了足夠的空間來(lái)安裝所有組件并進(jìn)行所有必要的連接，并且在可以連接PCB墊片的邊緣處鉆有四個(gè)孔。通過(guò)使用arduino micro而不是arduino nano并選擇直徑更小的墊片，可以使PCB更小。 PCB的原理圖如上所示。首先，您應(yīng)該將arduino的引腳焊接到PCB而不將它們連接到arduino，因?yàn)橛行┚€必須低于arduino（當(dāng)然我第一次做錯(cuò)了）。還要確保引腳的較長(zhǎng)邊朝向PCB（即arduino將連接到較長(zhǎng)的一側(cè)）。然后使用一些細(xì)線進(jìn)行連接，如原理圖所示。所有電線都在PCB底部運(yùn)行，但焊接在頂部。請(qǐng)注意，您還必須創(chuàng)建四個(gè)焊橋，以便通過(guò)arduino引腳連接VCC，GND，SDI和CKI。 VCC將連接到arduino 5 V引腳，GND連接到GND，SDI連接到D10，CKI連接到D9。雖然我試圖安排所有東西，但是你必須盡可能少地建立連接，所以布線變得有點(diǎn)麻煩。

步驟8：連接玻璃PCB

最后，您可以進(jìn)行組裝的最后一步，即將玻璃基板連接到基座上。我確實(shí)從前層開(kāi)始，它位于基座的一側(cè)，更靠近arduino。通過(guò)這種方式，您可以在信號(hào)從前到后運(yùn)行時(shí)測(cè)試每個(gè)圖層。然而，由于焊盤(pán)面向前方，所以其他層的焊接有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)槟仨毷褂美予F進(jìn)行焊接。為了連接PCB，我將少量粘合劑（UHU Hart）涂在玻璃PCB的底部邊緣（焊盤(pán)所在的位置），然后將其牢固地壓在底座上，等待它粘得很好。之后，我在PCB的背面（焊盤(pán)對(duì)面）的底部添加了一些膠水。說(shuō)實(shí)話(huà)，我對(duì)結(jié)果并不十分滿(mǎn)意，因?yàn)槲覠o(wú)法將PCB完全垂直安裝。制作某種夾具可能會(huì)更好，以確保層保持垂直，直到膠完全干燥。在安裝每層之后，我通過(guò)在底部的六個(gè)焊盤(pán)上涂上大量的焊膏來(lái)進(jìn)行焊接連接，以便它們連接到底部PCB上的相應(yīng)焊點(diǎn)。對(duì)于焊接，我沒(méi)有使用熱空氣，而是使用普通的烙鐵。請(qǐng)注意，對(duì)于最后一層，您只需要連接四個(gè)打擊墊。安裝每一層后，我用“strandtest”示例代碼測(cè)試了多維數(shù)據(jù)集。事實(shí)證明，雖然我事先測(cè)試了每一層，但是有一些不良的連接，我不得不重新焊接兩個(gè)LED。這尤其令人討厭，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)位于第二層，我不得不用我的熱槍到達(dá)。一旦你完成所有工作，構(gòu)建就完成了。恭喜！

第9步：上傳代碼

我剛做了一個(gè)簡(jiǎn)單的示例草圖上面的視頻中顯示的動(dòng)畫(huà)很少。該代碼使用FastLED庫(kù)并基于DemoReel100示例。我真的很喜歡這個(gè)庫(kù)，因?yàn)樗呀?jīng)提供了褪色和亮度的功能，這使得生成漂亮的動(dòng)畫(huà)很容易。我們的想法是讓您繼續(xù)制作更多動(dòng)畫(huà)，并在評(píng)論部分分享您的代碼。在示例草圖中，我將整體亮度設(shè)置為較低的值，原因有兩個(gè)。首先，在全亮度下，LED非常明亮。其次，所有64個(gè)全亮度LED可能比arduino 5 V引腳能夠安全地（200 mA）消耗更多的電流。

步驟10：Outlook

有一些可以改進(jìn)的內(nèi)容，我已經(jīng)提到了其中的大多數(shù)內(nèi)容。我想改變的主要是為基礎(chǔ)制作專(zhuān)業(yè)PCB。這樣可以使底座更小，看起來(lái)更漂亮，也可以避免手動(dòng)連接所有東西的煩人過(guò)程。我還相信玻璃PCB設(shè)計(jì)可以使整個(gè)立方體進(jìn)一步小型化。在他（可能）世界上最小的LED立方體的指導(dǎo)下，nqtronix寫(xiě)道，他最初計(jì)劃使用尺寸為0404的世界上最小的RGB LED，但他沒(méi)有設(shè)法焊接它們。通過(guò)使用玻璃PCB，人們可以真正選擇世界上最小的LED立方體。在這種情況下，我可能還會(huì)使用nqtronix將所有東西都涂在類(lèi)似于立方體的環(huán)氧樹(shù)脂中。