可制造性設計規范融入《電子線路制圖與制版》課程改革實踐

顧菊芬

(蘇州信息職業技術學院 通信與信息工程系 江蘇 蘇州:215200)

0 引言

PCB(Printed Circuit Board,印制電路板)是重要的電子部件,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣相互連接的載體。PCB設計借助EDA軟件來完成電路版圖的設計,是電子產品開發流程中非常重要的一個環節。隨著智能制造工廠的不斷發展,PCBA(Printed Circuit Board Assembly,印制電路板組裝)加工技術得到普及,PCBA依賴自動化和智能化設備將電子元器件焊接到印制電路板上,形成完整的電子產品功能部件,極大解放了人力,提高了生產效率,同時對PCB可制造性設計提出了更高的要求[1-3]。

國際電工委員會(IEC)制定了有關印制板設計、制造和電子裝聯技術標準和規范100余項,涉及到印制板及其組裝件設計、材料、各類型產品、制造技術及測試方法和質量保證等方面,構成一個相互配套的體系,是重要的PCB可制造性設計規范[1-3]。目前在國際上最有影響并被許多國家采用的標準,主要是美國電子電路封裝協會的標準(即IPC標準)。在IPC標準中對PCB及其安裝技術的標準已形成了完整的體系,包括設計、制造和安裝工藝、材料、各類產品、試驗方法和質量保證等6個方面,該體系的標準相互配套性好、可操作性強、標準修訂速度快、內容先進,適合于元器件、印制板及安裝技術發展的需要。

《電子線路制圖與制版》是高職院校電子信息專業培養具備適度理論知識和較強實踐能力的PCB設計人才的重要課程。筆者在課程教學時,探索將PCB可制造性設計規范融入教學實踐,使學生樹立了PCB設計的可制造性規范意識,提高了學生的職業素養和就業競爭力。

1 PCB可制造性設計課程改革必要性

課題組前期調研了PCB行業企業和專業招聘網站,了解到電子類專業技術人員從事的PCB設計或Layout崗位職責一般包括:負責PCB元件標準封裝的建立以及元件庫的創建和維護;根據結構原理圖進行PCB布局,獨立完成符合硬件、結構要求的PCB設計及優化;負責PCB制版過程工程確認,配合工藝工程師優化,改善設計;負責PCBA試制過程中輸出試產報告,并改善PCB設計問題;負責對PCB制造工藝以及電子裝聯工藝編寫相關PCB設計規范;編制PCBA工藝文件,與PCBA廠解決生產問題;輸出相關的生產文件,編制品質體系相關文件。

對于行業企業而言,一般PCB設計制造相關崗位要求對PCB可制造性設計標準及工藝規范都有較高的要求[1]。這就要求在《電子線路制圖與制版》課程教學時滲入PCB可制造性設計規范、工匠精神,使學生明確電路設計與PCB工藝規范緊密關聯,樹立PCB設計的可制造性規范意識[2,3]。

PCB設計或Layout設計作為硬件工程師的典型崗位,需要工程實戰經驗積累和沉淀,技術成熟周期相對較長,在學習課程時滲透可制造性規范設計,對于未來職業發展有著重要的指導意義。PCB設計在滿足產品功能和性能可實現的前提下,PCB 的可制造性設計應至少考慮如下基本問題:(1)自動化生產所需的工藝傳送邊、定位孔、光學定位符號。(2)與生產效率有關的拼板。(3)與焊接合格率有關的元件封裝選型、基板材質選擇、組裝方式、元件布局、焊盤設計、阻焊層設計。(4)與檢查、維修、測試有關的元器件間距、測試焊盤設計。(5)與PCB制造有關的導通孔和元件孔徑設計、焊盤環寬設計、隔離環寬設計、線寬和線距設計。(6)與裝配、調試、接線有關的絲印或腐蝕字符。(7)與焊接、螺裝、鉚接工藝有關的孔徑、安裝空間。

我院《電子線路制圖與制版》課程開設于大二第一學期,學生已學習過模擬電子、數字電子技術課程,具備一般的識圖分析能力,但對PCB生產制造行業規范、生產制造設備不熟悉。針對以往課程教學只注重進行軟件操作,教學目標停留在PCB設計流程的軟件操作層次,課程組結合學生學習和教學的實際情況,對課程進行了改革,對課程內容進行了整體設計和重構,將PCB 可制造性設計融入項目案例和實踐教學,以電路應用為基礎,遵循行業規范,滲透精益求精的工匠精神,培養學生實現印制電路板從制圖到制版的能力。

2 可制造性設計規范融入課程改革實施路徑

2.1 構建“理實一體”的教學內容體系

課題組引入多個企業真實案例,按照由淺入深、由簡單到復雜的編排順序,通過項目引領、任務驅動組織教學內容,融“教、學、做”于一體,采用練習、產品仿制及自主設計三階段組織,從放大電路、插卡音箱、電子沙漏等電子產品開展工程訓練,利用成果導向來激發學生學習興趣。融入可制造性設計規范的《電子線路制圖與制板》課程教學內容體系如圖1所示。

圖1 融入可制造性設計規范的《電子線路制圖與制板》課程模塊

教學過程靈活運用任務驅動、項目教學法、分組討論等多種教學方法,夯實課堂教學“主渠道”,活躍課堂,提高學生學習積極性,提升教學質量;在教學過程中教師不僅僅圍繞電路設計進行軟件操作、PCB設計流程,完成成果文件輸出,更加注重融入可制造性設計規范標準。

可制造性設計理念不僅是一種技術要求,更加體現了務實求真的科學思維、工匠精神、創造精神。教師在教學中強調在設計階段考慮制造因素,提高產品設計、工藝設計、制造一次成功率,降低成本、提高質量、縮短開發周期,并通過學生工程制版測試反饋及調整優化訓練;注重培養學生基于PCB可制造性設計的綜合工程素養和技能,在此過程中無痕融入行業規范、設計要求等行業思政元素,培養學生的科學素養、工匠精神、品質意識。

2.2 通過線上線下混合式教學,滲透可制造性設計規范

2.2.1 建設工作手冊教材和在線開放課程

互聯網時代,在線教學和混合式教學成為了必不可少的教學形式,在線開放課程和配套的工作手冊教材建設顯得尤為重要,符合“以學生發展為中心、以學生學習為中心,以學習成果為中心”的教育理念。

為此,課程組結合企業崗位和智能硬件裝調1+X證書要求,開發了專業能力與關鍵能力協同培養的工作手冊教材;同時進行電子產品PCB設計、制造一體化流程的在線課程資源建設,為提升學生綜合電子技能和素養提供方便。2020年完成課程數字化資源建設,通過將知識點和技能點微課視頻納入課程框架,并在課程中不斷融入新技術新工藝、熱點思政案例,形成有機整體的在線開放課程。

課程平臺具有通知發布、視頻講解、作業、測驗、考核、論壇交流、在線答疑和評價建議等環節,教學活動完整;教學視頻以知識點為單元將教學內容拆解錄制,可自由安排學習時間;知識點均以課件講授、動畫、實操錄像等方式展示,促進學員理解;作業、階段測試和期末考試多種考核方式輔助學員及時了解自己的學習狀況;在線答疑、論壇等交互單元可為學員及時答疑解惑。學生通過在線課程學習,可以有效彌補課堂講授時長不夠、有效解決操作練習疑難問題。該課程2022年10月立項為省級精品在線課程。

2.2.2 遞進式混合教學, 注重學生能力成長

課程采用成果導向的工程訓練模式,將整個課程內容劃分了七個單元,前六單元為基礎入門和專項訓練階段,第七單元為綜合項目訓練階段。每一個單元按照任務驅動方式開展教學,通過“線上-課堂-實踐”的模式,按照崗位工作流程從入門基礎、專項訓練、綜合訓練層層遞進。各單元訓練按照“知、明、拓、驗”四步教學流程,同時在設計制作中,滲透符合工程實際和設計規范的工程意識和工匠精神,提升學生專業實踐能力。圖2展示了某單元的四步教學流程

圖2 四階遞進的 “PCB基礎知識和設計軟件” 基礎入門教學

綜合項目訓練階段,工程導向有效提升學生專業技能和素養水平。首先,加強原理圖分析,培養設計思維和分析能力。掌握電路的相關理論知識,學會分析設計要求,分析電路原理真正看懂原理圖,才能夠在PCB設計時很好的完成印刷電路板的布局和布線,實現整個PCB版圖的設計與制作。其次,加強規范PCB板電氣特性及制作工藝,滿足可制造性設計。在教學過程中遵循電氣特性及制作工藝要求,著重強調軟件使用時涉及到的相關技術規范及工藝制作要求,避免實際生產的PCB板無法正常使用的現象。再次,擇優選擇PCB作品打板制作,滿足學生成就感。通過項目實戰和實際作品進一步體驗PCB設計、制造、調試、測試的全過程,在此過程得到全面的鍛煉和成長[4-7]。

2.3 拓展工程實訓途徑,工程實戰育規范

拓展多種工程實踐途徑有利于學生將課程學習與具體的實物應用相聯系,工程實戰進一步促使學生養成遵循PCB可制造設計規范的習慣。

2.3.1 選拔實踐創新小組以賽促學

學校在第二課堂通過專業教師指導學生開展綜合訓練項目,促進學生高效學習。同時選拔學生參加集成電路開發與應用技能大賽、藍橋杯單片機設計與開發、EDA設計與開發大賽,進一步強化激發學生的專業學習熱情。項目訓練和競賽需要進行電路設計制作,PCB設計中最耗時間的是原理圖庫和封裝庫設計,其設計過程煩瑣且存在重復性設計問題,另外物料采購、焊接、調試都是可制造性設計重要環節。通過建立校內專業社團,通過新老學員幫帶建立學習共同體,通過教師指導、學員作品項目學習,將能大幅度提高PCB設計效率。

2.3.2 依托創新實踐項目以練促學

課程團隊在近年來申請了多項電路設計制作的省級大學生創新訓練項目和院級項目。通過申請項目,讓學生有機會將電路設計制作與自己的創意想法相結合,鍛煉學生的團隊合作意識。如2019年,課程組教師指導的省級大學生創新訓練項目“動態顯示屏PCB設計制作”(見圖3),基于單片機控制、電機控制、視覺暫留原理設計與制作動態顯示屏幕。該項目將大學生的創新思維融于電子線路制圖與制版課程的綜合創新訓練中,同時考慮電子產品制作調試的便捷性、易用性,有效通過實踐育規范[4-5]。

圖3 “動態顯示屏PCB設計制作” 綜合訓練項目

課程教學團隊通過專業社團、第二課堂等多種方式注重學生技能培養,通過科研、競賽、項目反哺課程教學,為課程建設積累了大量的實踐經驗和案例素材。

2.3.3 探索校企聯合培養人才路徑

引入企業機制開展實踐教學改革,注重在設計制作中滲透符合工程實際和設計規范的工程意識和工匠精神;加強原理圖分析,培養設計思維和分析能力;加強規范PCB板電氣特性及制作工藝,滿足可制造性設計。

課程團隊聯合本地企業江蘇創新融網絡科技股份有限公司,制訂企業內PCB、PCBA工程師的培養方案,建立企業導師指導考核機制,完善學生理論學習和工程實訓的評分標準,讓學生參與工業現場,為其職業選擇與發展提供一個良好平臺,有助于學生從事電子設計輔助工作,提升職業崗位技術層次。不少畢業生從事電子產品技術輔助研發崗位,負責電子線路制圖與制版及后續調試、測試,進行產品定型前的設計改良,得到用人單位的一致好評。

3 結語

本課程作為重要的職業崗位能力課程,緊密對接市場崗位對可制造性設計標準及工藝規范提出的較高要求,在教學設計實施中無痕滲透可制造性設計規范、工匠精神,通過混合式教學融規范、拓展工程實訓育規范,有效提升學生PCB設計可制造性規范意識,取得了較好的教學效果。