基于小型工業級制板系統進行PCB制作的電子實習教學與實踐

閆紅超 張震強 任喜偉

【摘要】掌握PCB的基本設計方法、制作工藝，了解生產過程是電子實習的基本要求之一。在電子實習課程中引入小型工業級制板系統，使學生能夠接觸到一種主流的工業級PCB制作工藝，激發了學生的興趣，提高了學生的工程實踐能力，培養了學生的創新意識，提升了電子實習的效果。

【關鍵詞】PCB ?電子實習 ?工業級

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）17-0225-02

電子實習以訓練學生基本的電子工藝和裝配技術為主，使學生對電子產品制造過程及典型工藝有全面的了解，它是實現理論知識向動手能力轉化的重要途徑[1]。印制電路板（Printed ?Circuit Board，PCB）作為電子元器件載體、電氣連接的提供者，是電子產品的主體，PCB的質量對于電子產品的質量、壽命有很大的影響。掌握PCB的基本設計方法、制作工藝，了解生產過程是電子實習的基本要求之一[2]。然而，在電子實習課程中的PCB制作環節，現有設備、教學資源不能很好的滿足電子實習的需求。引入小型工業級制板系統，能使學生了解PCB制作的新工藝、新流程，不僅能激發學生的興趣，而且有助于提高學生的工程實踐能力，培養學生的創新意識，提升電子實習的效果。

一、PCB制作現狀分析

電子實習課程是本校理工類所有專業的必修課之一，相應的教學任務由電子實訓基地（以下簡稱基地）承擔。經過多年的發展，尤其是近幾年持續不斷的教學改革[3-5]、實驗室建設，基地已經建成了包含電子工藝室（兩個）、多媒體實驗室、手工熱轉印制板室、電子產品調試室、庫房等6個實驗室，總面積500多平方米的實習場所。

然而，在PCB制作環節，學生實習的效果還不夠理想。基地配有兩套制板設備：雕刻機和手工熱轉印制板設備。雕刻機采用機械加工的方法制作PCB，即用刻刀除去不需要的銅箔，留下需要保留的線路和焊盤。該系統制板速度慢，且每次只能單板、單面進行加工，不適合批量制板，也不支持阻焊、絲印的制作。在實習時，以學生了解物理雕刻法制板工藝為主，對于設備的要求也僅是認識、了解。電子實習中主要采用手工熱轉印方式制作PCB。該方法雖然具有制作成本低、工藝簡單、速度快的優點，但通常僅限于制作精度要求不高、線路簡單的單面板，同樣不支持阻焊、絲印的制作，也不利于學生學習工業級PCB制作工藝流程。

綜合考慮資金、場地、制板速度、小批量制板需求等因素，引進了一套小型工業級制板系統。該系統能夠完成高品質單、雙面PCB小批量的制作，是對現有制板方式很好的補充，能很好地滿足電子實習的制板需求。

二、小型工業級制板系統工藝流程

小型工業級制板系統進行PCB制作，主要分為出圖、裁板、鉆孔、拋光、金屬化過孔、線路制作、阻焊制作、絲印制作、沉錫、切邊等步驟。各自作用及主要操作分別為：

（1）出圖

將事先設計好的PCB圖打印到菲林膜上。首先用PROTEL或Altium Designer等計算機輔助設計軟件從設計好的PCB圖中導出Gerber Files和NC Drill Files，然后在CAM350軟件中導入上述生成的文件，最后將需要的圖層按照以1：1的比例逐一打印出來。常用的圖層包括底層信號層、頂層信號層、底層絲印層、頂層絲印層、底層阻焊層、頂層阻焊層等。

（2）裁板

用裁板機將覆銅板裁剪成合適的尺寸。需要注意的是，裁剪好的覆銅板至少有一側保留有不少于2cm的工藝邊。

（3）鉆孔

用高速全自動鉆孔機在裁剪好的覆銅板上打孔，包括焊盤孔、定位孔等，對于雙面板，鉆孔操作也是為后續的金屬化過孔工藝做準備。首先通過鉆孔機的上位機對加工參數進行設置，然后加載步驟（1）中生成的文件，最后選擇以自動或手動換取刀頭的方式進行加工。需要注意的是，焊盤孔和定位孔均只能為圓形，否則鉆孔機會報錯。

（4）拋光

用自動拋光機對板材覆銅面進行拋光、去污、去氧化處理。

（5）金屬化過孔

該工藝僅在制作雙面PCB時需要，主要作用是在覆銅板上過孔的孔徑內鍍銅，以實現頂層線路和底層線路的可靠連通。所用到的設備有金屬化過孔機和烘干機。操作依次為：預浸、水洗、烘干、活化、通孔、熱固化、拋光、加速、鍍銅、水洗、拋光、烘干。

（6）線路制作

使用線路板絲印機、烘干機、曝光機、顯影機、脫膜機、鍍錫機、褪錫機等設備制作PCB上的線路。操依次作為：刷感光油墨、烘干、貼底片、曝光、顯影、水洗、鍍錫、水洗、脫膜、水洗、蝕刻、水洗、褪錫、水洗、烘干。

（7）阻焊、絲印制作

制作PCB上的阻焊和絲印。操作流程和線路制作工藝中的前六步基本一樣，但有兩點不同：1）線路制作工藝中感光油墨多用藍色，而阻焊、絲印制作工藝中感光油墨一般分別用綠色、白色;2）阻焊、絲印制作工藝在線路制作工藝中的前六步基礎上，緊接著還有一個熱固化操作，從而確保阻焊、絲印附著的更加牢固。

（8）沉錫

在焊盤上鍍錫，以防氧化。對于制作好緊接著就要焊接、裝配的PCB，此工藝可省略。使用的設備為助焊防氧化機。

（9）切邊

用裁板機切除電路板上多余部分，用打磨機或銼刀將板子邊緣打磨光滑。

三、教學資源的更新

制作相應的課件、操作規程、操作視頻等教學資源，并上傳到信息化教學平臺，學生可通過訪問該平臺獲取需要的教學資源，滿足課前預習、課后復習的需要;把主要的操作規程制作成展板，懸掛于小型工業級制板實驗室，供學生實踐的時候參考。

四、教學內容、方式的拓展

PCB的設計與制作環節，在理論課上增加了小型工業制板系統制作PCB的工藝流程、相關設備的講授，在實踐過程中學生可選擇使用小型工業制板系統或手工熱轉印制板設備制作PCB。將PCB制作方式和完成情況一起納入該環節的考核范圍，以鼓勵有能力、有興趣的學生優先選擇小型工業制板系統進行PCB制作。在實際操作時，把一些不牽扯安全問題的步驟拿出來，嘗試讓學生先實踐，在實踐的過程中，根據遇到的問題，引導學生主動思考原因，主動去學習，做到“做中學”，相比以往每個步驟開始之前教師先把相關的理論知識、操作要點等進行講述、演示然后讓學生實際操作的做法，更加有利于培養學生主動分析、解決問題的能力，以及創新思維和意識。

結語

使用小型工業級制板系統制作的PCB，外觀精美、精度較高，極大地激發了學生的興趣，同時有助于學生掌握一種當前主流的工業級PCB板制作工藝流程;結合“做中學”的教學方式，更加有利于培養學生主動分析、解決問題的能力，以及創新思維和意識，從而提高了實習效果，為學生后續參加課程設計、畢業設計、各類電子競賽提供了強有力的支撐。自建成以來，小型工業級制板系統不僅用于電子實習課程，還為部分專業的課程設計、各類電子競賽的制板提供了支持，避免了重復建設，受到了多方面的好評。

當然，在實踐中發現了小型工業級制板系統相對于手工熱轉印制板，存在工藝流程復雜、費時較長、個別設備比較復雜須經嚴格培訓才能上崗操作等方面的不足，當前主要通過加強相應環節的輔導力度來處理，在后續的教學與實踐中將繼續探索更加有效的方式、方法，以持續提升實習效果。

參考文獻：

[1]李曉斌，王瑾.電子工藝實習教程[M].武漢：華中科技大學出版社，2019：4.

[2]馬令坤，張震強.電子工藝基礎與實訓[M].北京：電子工業出版社，2017：1.

[3]任喜偉，張震強，閆紅超.基于CDIO理念的電子實習實踐教學改革探究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2016（04）：16-17.

[4]任喜偉，張震強，閆紅超.電工電子實驗教學平臺信息化改革與實踐[J].中國教育技術裝備，2016（02）：61-62.

[5]任喜偉，張震強，閆紅超.電子實習教學現狀調查及改革思路[J].教育觀察，2018（17）：90-92.

作者簡介：

閆紅超（1980-），男，碩士，工程師，陜西科技大學電氣與控制工程學院實驗室副主任。主要從事電工電子實踐教學、智能優化方面的研究。