高校電子設(shè)計課程PCB設(shè)計與制作實踐教學(xué)方法研究

胡輝

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，河南 商丘 476000）

1 引言

高校的電子設(shè)計課程在設(shè)計電子產(chǎn)品時，主要是以電路的設(shè)計為主，電路設(shè)計包括各單元電路參數(shù)的計算—電路圖的設(shè)計—電路的制作—調(diào)試，整個過程中為了節(jié)省時間，電路的制作常用萬能板搭建，這種方式雖然便捷，但可觀賞性和穩(wěn)定性相對來說都比較差，采用電子設(shè)計自動化技術(shù)設(shè)計制作PCB可以解決電路設(shè)計環(huán)節(jié)中可靠性的問題。許多高校是將電子設(shè)計自動化和電子制作、電子技能課程分別單獨開設(shè)的，這樣就不能完整實現(xiàn)電子產(chǎn)品的設(shè)計。將這些課程融合成一門課程，利用EDA軟件進行電路設(shè)計、仿真、調(diào)試，采用轉(zhuǎn)印、腐蝕、雕刻等方法制作PCB，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，整合更多的教學(xué)資源，提高學(xué)生動手實踐的動力。設(shè)計制作PCB常用的軟件主要有Protel 99SE、Altium designer、Pads、嘉立創(chuàng)、Proteus、Candance，高校早期常用Protel 99SE作為PCB電路設(shè)計制作的工具，現(xiàn)在多用其升級版本Altium designer來設(shè)計制作[1]。本文通過占用空間小、易操作的Protel 99SE軟件設(shè)計PCB，并用手工的方法制作出PCB實物，通過軟件的使用和實際動手操作，讓每一個學(xué)習(xí)者都能夠親身體驗制作PCB的樂趣。

2 EDA軟件設(shè)計PCB

2.1 電子產(chǎn)品PCB制作流程

電子產(chǎn)品中的PCB制作的流程如圖1所示，首先繪制出已設(shè)計好的電路原理圖，將原理圖轉(zhuǎn)換成PCB設(shè)計圖，調(diào)整好的PCB圖通過熱轉(zhuǎn)印紙或菲林紙將轉(zhuǎn)印到敷銅板上，轉(zhuǎn)印好的敷銅板放入腐蝕液中一段時間撈出，然后用鉆臺鉆孔，最后可用木炭擦拭掉油墨，涂上松香油，完成一塊PCB的制作。

圖1 PCB制作的流程框圖

2.2 正負電源單面印制板圖設(shè)計

（1）繪制電路原理圖

正負穩(wěn)壓電源（如圖2所示）是生活中常用的電路，在電子設(shè)計課程中應(yīng)用也比較廣泛。

打開Protel 99SE或Altium designer，在繪制原理圖的界面調(diào)出原理圖需要的元件，根據(jù)圖2繪制出加有封裝的原理圖文件。

圖2 正負穩(wěn)壓電源電路

（2）單面PCB圖設(shè)計

在軟件中打開圖2中所繪制的正負電源電路，執(zhí)行菜單命令Design/Update PCB，在彈出Update Design（更新設(shè)計）對話框的同時程序會自動創(chuàng)建一個與原理圖文件同名的PCB文件并處于當(dāng)前打開狀態(tài)，單擊對話框左下角的Preview Change按鈕，對話框變?yōu)閳D3所示。

圖3 更新設(shè)計對話框

單擊Execute（執(zhí)行）繼續(xù)，出現(xiàn)一個是否繼續(xù)的對話框，選擇Yes確認。切換到PCB編輯器，執(zhí)行Design/Options命令，將可視柵格修改為100mil，切換到Options選項卡，修改鎖定柵格為25mil。雙擊任何一個元件，在彈出的對話框中選擇頂部的第三個Comment選項卡，在選項卡的下部Hide后打上對鉤，然后再單擊右下角的全局（Global）按鈕，打開全局對話框，在Hide欄中選擇Same項后，單擊OK確認，在出現(xiàn)的是否繼續(xù)對話框中單擊Yes確認，就可隱藏所有元件的型號或參數(shù)。選中所有元件，按快捷鍵I/P，在彈出的元件標(biāo)注位置對話框中選擇合適的標(biāo)注位置，單擊OK確認，圖4是確認后結(jié)果。

圖4 元件標(biāo)注位置自動調(diào)整結(jié)果

設(shè)置設(shè)計規(guī)則為單面電路板，地線的寬度為60mil，一般布線的寬度為40mil，并合理定義電氣邊界。按A/A/R快捷鍵或執(zhí)行Auto Route/All菜單命令，在彈出的對話框中單擊Route All按鈕，程序會自動布線（自動布線可重復(fù)執(zhí)行），圖5是執(zhí)行自動布線后的一種結(jié)果。

圖5 自動布線結(jié)果

手工調(diào)整布線、元件標(biāo)注后結(jié)果如圖6所示。

圖6 手工調(diào)整后的最后結(jié)果

2.3 制作PCB實物

（1）轉(zhuǎn)印PCB

設(shè)計好的PCB圖，需要通過激光打印機將調(diào)整好的轉(zhuǎn)印圖打印到轉(zhuǎn)印紙或菲林紙上（也可以用雕刻機直接雕刻），通過熱轉(zhuǎn)印或感光拍照將PCB圖轉(zhuǎn)印到敷銅板上。在高校的印刷電路板制作實踐課上常用比較簡單的熱轉(zhuǎn)印，這種方法易操作、成本低，適合大規(guī)模學(xué)生手工操作。只需把轉(zhuǎn)印機的溫度調(diào)到攝氏200℃左右，將打印好的轉(zhuǎn)印紙與敷銅板貼緊送進熱轉(zhuǎn)印機，就可以將PCB圖印到敷銅板上，如圖7所示。

圖7 PCB熱轉(zhuǎn)印

（2）配比腐蝕液蝕刻PCB

轉(zhuǎn)印之后的敷銅板還需要進入下一個工序——蝕刻，如圖8所示。高校實驗室常用的蝕刻劑主要有：三氯化鐵+水、鹽酸+過氧化氫、環(huán)保蝕刻液（過硫酸鹽+硫酸銅）。其中鹽酸+過氧化氫腐蝕速度快，但腐蝕性強，還會產(chǎn)生氯氣，制作的過程中需要戴上橡膠手套、護目鏡、防毒氣口罩，有一定的危險性，不適合大規(guī)模實驗使用。三氯化鐵腐蝕和環(huán)保蝕刻液不產(chǎn)生有毒氣體，腐蝕性相對弱些，適合在實驗室使用。轉(zhuǎn)印好的敷銅板面朝上放入腐蝕液中，等待一段時間之后就完成了腐蝕，撈出用清水沖洗干凈即完成蝕刻。

圖8 蝕刻

（3）PCB后續(xù)處理

蝕刻好的PCB需要用合適的鉆頭鉆孔，然后用木炭或砂紙去掉板子上油墨，涂抹上松香油或其它防氧化劑，有條件的話可以在導(dǎo)線上涂上阻焊劑防止氧化。這樣一塊PCB就制作完成了，如圖9所示。

圖9 制作成功的PCB

3 PCB制作在電子設(shè)計課程中的效果分析

3.1 可操作性強

在電子設(shè)計課程中增加PCB設(shè)計與制作的實踐環(huán)節(jié)，能夠給學(xué)生帶來更加直觀的實踐效果。通過EDA軟件的使用，整個制作流程的體驗，使學(xué)生了解到一件電子產(chǎn)品從圖紙到實物的實現(xiàn)過程，設(shè)計軟件和制作工具都是簡單易操作的[2]。

3.2 便于學(xué)習(xí)者課下實踐

PCB的設(shè)計和制作分為兩個環(huán)節(jié)：一是在計算機上設(shè)計PCB圖，有計算機即可完成；二是在現(xiàn)實環(huán)境下制作，選擇制作PCB的材料在市場上可方便購買，環(huán)保性、安全性較高，學(xué)生可以在課下進行制作實踐。將理論與實踐有機結(jié)合，達到課上學(xué)習(xí)、課下練習(xí)的目的。

3.3 增強課程的實踐性，提高學(xué)習(xí)興趣

手工制作PCB，可將電子設(shè)計的主要環(huán)節(jié)得以實現(xiàn)，在制作PCB的每一個環(huán)節(jié)上又增加匹配的相關(guān)知識，驗證理論的同時，又將新的實踐經(jīng)驗融合進來。每一次制作都會有不同的經(jīng)驗收獲，使學(xué)生在整個電子設(shè)計過程中不斷接受新事物。學(xué)生親身體驗制作個性作品，提高實踐的信心和興趣，增強了實踐學(xué)習(xí)的動力，使電子設(shè)計的課堂不再單調(diào)、枯燥。

4 PCB設(shè)計與制作促進電子設(shè)計課程的改革

4.1 考核電子設(shè)計知識層次

利用EDA軟件對電子產(chǎn)品中電路進行設(shè)計制作，考核學(xué)習(xí)者對PCB設(shè)計的軟件操作了解和掌握程度，電子技能及制作工具的操作熟練程度。PCB設(shè)計軟件比較多，通過熟練掌握Protel99SE、Altium designer這兩種軟件的操作，再學(xué)習(xí)Pads、嘉立創(chuàng)、Proteus、Candance這些軟件時就會比較容易上手，了解行業(yè)內(nèi)常用的制板軟件的特點，制作自己的元件庫，開發(fā)出不同的功能，應(yīng)用于電子設(shè)計中[3]。

PCB圖熱轉(zhuǎn)印到敷銅板時需要專用的激光打印機，對硒鼓有較高的要求。打印在轉(zhuǎn)印紙上的圖不能有斷線，否則將影響轉(zhuǎn)印的效果，有經(jīng)驗制作者會用油性筆對斷線處進行描繪。而打印的菲林紙則對硒鼓沒有過高的要求，一張打印的菲林紙還可以反復(fù)使用，敷銅板需要進行特殊處理才可以配合菲林紙拍照使用。雕刻機制作PCB不需要打印圖紙，只需要將EDA軟件設(shè)計好的圖紙導(dǎo)入雕刻機即可，雕刻機安裝不同的刀具可實現(xiàn)電路板的雕刻。學(xué)習(xí)者熟練掌握這些技能后，在沒有專用的設(shè)備時，可以借助常見的電熨斗來進行熱轉(zhuǎn)印，從而達到制板的目的。

PCB蝕刻工序是考核學(xué)習(xí)者實踐能力的一個重要指標(biāo)，學(xué)習(xí)者要掌握蝕刻液的配比選擇，對蝕刻時間的要求，蝕刻時的安全防護操作，蝕刻劑的環(huán)保要求，蝕刻結(jié)束后廢液的安全環(huán)保處理等。

鉆機的使用和鉆頭的更換、保護也是學(xué)習(xí)者所必須掌握的技術(shù)，如PCB鉆孔的力度把握決定了焊孔的美觀程度；木炭和砂紙去掉油墨的方法是多次制板之后總結(jié)出來的經(jīng)驗；可用酒精和松香進行配比制作出松香油作為新制PCB的防氧化劑和助焊劑；等等。

4.2 PCB制作增加電子設(shè)計實踐接受度

PCB制作加入到電子設(shè)計課程中，改變了傳統(tǒng)的授課形式，將教學(xué)做真正結(jié)合起來，用項目化任務(wù)使整個課堂更加充實，將一個電子產(chǎn)品從無到有制作出來，課程內(nèi)容得以從抽象到具體地呈現(xiàn)，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)制板的興趣，增加了學(xué)生實踐的機會，課堂積極性充分調(diào)動[4]。

4.3 PCB制作改變學(xué)生對電子設(shè)計實踐的認知度

電子設(shè)計是將多門課程融合的一門專業(yè)實踐課程。在學(xué)習(xí)過程中，會將原來學(xué)過的相關(guān)課程重新學(xué)習(xí)一遍，課程中加入PCB制作實踐，將電路中的元器件參數(shù)、封裝，印制導(dǎo)線的粗細，元件之間的距離，焊盤的直徑、孔徑，元件和導(dǎo)線之間距離都做了詳細規(guī)劃，以及指導(dǎo)學(xué)生對非常規(guī)元件封裝制作方法、手工布線方法在制板過程中的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，增強了學(xué)生對制板流程的認識，達到促進電子設(shè)計實踐創(chuàng)新的目的。

5 結(jié)語

國家對電子科技人才的需求不斷增加，促使高校在課程規(guī)劃及方案培養(yǎng)制定的過程中，加大了各門專業(yè)課的實踐力度。印刷電路板（PCB）的制作在電子課程的設(shè)計自動化中起著至關(guān)重要的作用，在“雙高”建設(shè)背景下，高校的電子課程將PCB的設(shè)計與制作增設(shè)為課程實踐改革的主要內(nèi)容，為學(xué)校的培養(yǎng)方向和市場的需求搭建溝通的橋梁，將學(xué)校和企業(yè)進行有機對接，實現(xiàn)高校產(chǎn)教融合和課程革新的目標(biāo)。