基于小型工业级制板系统进行PCB制作的电子实习教学与实践

闫红超 张震强 任喜伟

【摘要】掌握PCB的基本设计方法、制作工艺，了解生产过程是电子实习的基本要求之一。在电子实习课程中引入小型工业级制板系统，使学生能够接触到一种主流的工业级PCB制作工艺，激发了学生的兴趣，提高了学生的工程实践能力，培养了学生的创新意识，提升了电子实习的效果。

【关键词】PCB  电子实习  工业级

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）17-0225-02

电子实习以训练学生基本的电子工艺和装配技术为主，使学生对电子产品制造过程及典型工艺有全面的了解，它是实现理论知识向动手能力转化的重要途径[1]。印制电路板（Printed  Circuit Board，PCB）作为电子元器件载体、电气连接的提供者，是电子产品的主体，PCB的质量对于电子产品的质量、寿命有很大的影响。掌握PCB的基本设计方法、制作工艺，了解生产过程是电子实习的基本要求之一[2]。然而，在电子实习课程中的PCB制作环节，现有设备、教学资源不能很好的满足电子实习的需求。引入小型工业级制板系统，能使学生了解PCB制作的新工艺、新流程，不仅能激发学生的兴趣，而且有助于提高学生的工程实践能力，培养学生的创新意识，提升电子实习的效果。

一、PCB制作现状分析

电子实习课程是本校理工类所有专业的必修课之一，相应的教学任务由电子实训基地（以下简称基地）承担。经过多年的发展，尤其是近几年持续不断的教学改革[3-5]、实验室建设，基地已经建成了包含电子工艺室（两个）、多媒体实验室、手工热转印制板室、电子产品调试室、库房等6个实验室，总面积500多平方米的实习场所。

然而，在PCB制作环节，学生实习的效果还不够理想。基地配有两套制板设备：雕刻机和手工热转印制板设备。雕刻机采用机械加工的方法制作PCB，即用刻刀除去不需要的铜箔，留下需要保留的线路和焊盘。该系统制板速度慢，且每次只能单板、单面进行加工，不适合批量制板，也不支持阻焊、丝印的制作。在实习时，以学生了解物理雕刻法制板工艺为主，对于设备的要求也仅是认识、了解。电子实习中主要采用手工热转印方式制作PCB。该方法虽然具有制作成本低、工艺简单、速度快的优点，但通常仅限于制作精度要求不高、线路简单的单面板，同样不支持阻焊、丝印的制作，也不利于学生学习工业级PCB制作工艺流程。

综合考虑资金、场地、制板速度、小批量制板需求等因素，引进了一套小型工业级制板系统。该系统能够完成高品质单、双面PCB小批量的制作，是对现有制板方式很好的补充，能很好地满足电子实习的制板需求。

二、小型工业级制板系统工艺流程

小型工业级制板系统进行PCB制作，主要分为出图、裁板、钻孔、抛光、金属化过孔、线路制作、阻焊制作、丝印制作、沉锡、切边等步骤。各自作用及主要操作分别为：

（1）出图

将事先设计好的PCB图打印到菲林膜上。首先用PROTEL或Altium Designer等计算机辅助设计软件从设计好的PCB图中导出Gerber Files和NC Drill Files，然后在CAM350软件中导入上述生成的文件，最后将需要的图层按照以1：1的比例逐一打印出来。常用的图层包括底层信号层、顶层信号层、底层丝印层、顶层丝印层、底层阻焊层、顶层阻焊层等。

（2）裁板

用裁板机将覆铜板裁剪成合适的尺寸。需要注意的是，裁剪好的覆铜板至少有一侧保留有不少于2cm的工艺边。

（3）钻孔

用高速全自动钻孔机在裁剪好的覆铜板上打孔，包括焊盘孔、定位孔等，对于双面板，钻孔操作也是为后续的金属化过孔工艺做准备。首先通过钻孔机的上位机对加工参数进行设置，然后加载步骤（1）中生成的文件，最后选择以自动或手动换取刀头的方式进行加工。需要注意的是，焊盘孔和定位孔均只能为圆形，否则钻孔机会报错。

（4）抛光

用自动抛光机对板材覆铜面进行抛光、去污、去氧化处理。

（5）金属化过孔

该工艺仅在制作双面PCB时需要，主要作用是在覆銅板上过孔的孔径内镀铜，以实现顶层线路和底层线路的可靠连通。所用到的设备有金属化过孔机和烘干机。操作依次为：预浸、水洗、烘干、活化、通孔、热固化、抛光、加速、镀铜、水洗、抛光、烘干。

（6）线路制作

使用线路板丝印机、烘干机、曝光机、显影机、脱膜机、镀锡机、褪锡机等设备制作PCB上的线路。操依次作为：刷感光油墨、烘干、贴底片、曝光、显影、水洗、镀锡、水洗、脱膜、水洗、蚀刻、水洗、褪锡、水洗、烘干。

（7）阻焊、丝印制作

制作PCB上的阻焊和丝印。操作流程和线路制作工艺中的前六步基本一样，但有两点不同：1）线路制作工艺中感光油墨多用蓝色，而阻焊、丝印制作工艺中感光油墨一般分别用绿色、白色;2）阻焊、丝印制作工艺在线路制作工艺中的前六步基础上，紧接着还有一个热固化操作，从而确保阻焊、丝印附着的更加牢固。

（8）沉锡

在焊盘上镀锡，以防氧化。对于制作好紧接着就要焊接、装配的PCB，此工艺可省略。使用的设备为助焊防氧化机。

（9）切边

用裁板机切除电路板上多余部分，用打磨机或锉刀将板子边缘打磨光滑。

三、教学资源的更新

制作相应的课件、操作规程、操作视频等教学资源，并上传到信息化教学平台，学生可通过访问该平台获取需要的教学资源，满足课前预习、课后复习的需要;把主要的操作规程制作成展板，悬挂于小型工业级制板实验室，供学生实践的时候参考。

四、教学内容、方式的拓展

PCB的设计与制作环节，在理论课上增加了小型工业制板系统制作PCB的工艺流程、相关设备的讲授，在实践过程中学生可选择使用小型工业制板系统或手工热转印制板设备制作PCB。将PCB制作方式和完成情况一起纳入该环节的考核范围，以鼓励有能力、有兴趣的学生优先选择小型工业制板系统进行PCB制作。在实际操作时，把一些不牵扯安全问题的步骤拿出来，尝试让学生先实践，在实践的过程中，根据遇到的问题，引导学生主动思考原因，主动去学习，做到“做中学”，相比以往每个步骤开始之前教师先把相关的理论知识、操作要点等进行讲述、演示然后让学生实际操作的做法，更加有利于培养学生主动分析、解决问题的能力，以及创新思维和意识。

结语

使用小型工业级制板系统制作的PCB，外观精美、精度较高，极大地激发了学生的兴趣，同时有助于学生掌握一种当前主流的工业级PCB板制作工艺流程;结合“做中学”的教学方式，更加有利于培养学生主动分析、解决问题的能力，以及创新思维和意识，从而提高了实习效果，为学生后续参加课程设计、毕业设计、各类电子竞赛提供了强有力的支撑。自建成以来，小型工业级制板系统不仅用于电子实习课程，还为部分专业的课程设计、各类电子竞赛的制板提供了支持，避免了重复建设，受到了多方面的好评。

当然，在实践中发现了小型工业级制板系统相对于手工热转印制板，存在工艺流程复杂、费时较长、个别设备比较复杂须经严格培训才能上岗操作等方面的不足，当前主要通过加强相应环节的辅导力度来处理，在后续的教学与实践中将继续探索更加有效的方式、方法，以持续提升实习效果。

参考文献：

[1]李晓斌，王瑾.电子工艺实习教程[M].武汉：华中科技大学出版社，2019：4.

[2]马令坤，张震强.电子工艺基础与实训[M].北京：电子工业出版社，2017：1.

[3]任喜伟，张震强，闫红超.基于CDIO理念的电子实习实践教学改革探究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2016（04）：16-17.

[4]任喜伟，张震强，闫红超.电工电子实验教学平台信息化改革与实践[J].中国教育技术装备，2016（02）：61-62.

[5]任喜伟，张震强，闫红超.电子实习教学现状调查及改革思路[J].教育观察，2018（17）：90-92.

作者简介：

闫红超（1980-），男，硕士，工程师，陕西科技大学电气与控制工程学院实验室副主任。主要从事电工电子实践教学、智能优化方面的研究。