胡輝

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

1 引言

高校的電子設(shè)計(jì)課程在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，主要是以電路的設(shè)計(jì)為主，電路設(shè)計(jì)包括各單元電路參數(shù)的計(jì)算—電路圖的設(shè)計(jì)—電路的制作—調(diào)試，整個(gè)過(guò)程中為了節(jié)省時(shí)間，電路的制作常用萬(wàn)能板搭建，這種方式雖然便捷，但可觀賞性和穩(wěn)定性相對(duì)來(lái)說(shuō)都比較差，采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)制作PCB可以解決電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中可靠性的問(wèn)題。許多高校是將電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化和電子制作、電子技能課程分別單獨(dú)開(kāi)設(shè)的，這樣就不能完整實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。將這些課程融合成一門(mén)課程，利用EDA軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、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(dòng)手實(shí)踐的動(dòng)力。設(shè)計(jì)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(jì)制作的工具，現(xiàn)在多用其升級(jí)版本Altium designer來(lái)設(shè)計(jì)制作[1]。本文通過(guò)占用空間小、易操作的Protel 99SE軟件設(shè)計(jì)PCB，并用手工的方法制作出PCB實(shí)物，通過(guò)軟件的使用和實(shí)際動(dòng)手操作，讓每一個(gè)學(xué)習(xí)者都能夠親身體驗(yàn)制作PCB的樂(lè)趣。

2 EDA軟件設(shè)計(jì)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(jì)好的電路原理圖，將原理圖轉(zhuǎn)換成PCB設(shè)計(jì)圖，調(diào)整好的PCB圖通過(guò)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(shí)間撈出，然后用鉆臺(tái)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(fù)電源單面印制板圖設(shè)計(jì)

（1）繪制電路原理圖

正負(fù)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(jì)課程中應(yīng)用也比較廣泛。

打開(kāi)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(fù)穩(wěn)壓電源電路

（2）單面PCB圖設(shè)計(jì)

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

圖3 更新設(shè)計(jì)對(duì)話框

單擊Execute（執(zhí)行）繼續(xù)，出現(xiàn)一個(gè)是否繼續(xù)的對(duì)話框，選擇Yes確認(rèn)。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(xiàng)卡，修改鎖定柵格為25mil。雙擊任何一個(gè)元件，在彈出的對(duì)話框中選擇頂部的第三個(gè)Comment選項(xiàng)卡，在選項(xiàng)卡的下部Hide后打上對(duì)鉤，然后再單擊右下角的全局（Global）按鈕，打開(kāi)全局對(duì)話框，在Hide欄中選擇Same項(xiàng)后，單擊OK確認(rèn)，在出現(xiàn)的是否繼續(xù)對(duì)話框中單擊Yes確認(rèn)，就可隱藏所有元件的型號(hào)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(duì)話框中選擇合適的標(biāo)注位置，單擊OK確認(rèn)，圖4是確認(rèn)后結(jié)果。

圖4 元件標(biāo)注位置自動(dòng)調(diào)整結(jié)果

設(shè)置設(shè)計(jì)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(duì)話框中單擊Route All按鈕，程序會(huì)自動(dòng)布線（自動(dòng)布線可重復(fù)執(zhí)行），圖5是執(zhí)行自動(dòng)布線后的一種結(jié)果。

圖5 自動(dòng)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(shí)物

（1）轉(zhuǎn)印PCB

設(shè)計(jì)好的PCB圖，需要通過(guò)激光打印機(jī)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(jī)直接雕刻），通過(guò)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(shí)踐課上常用比較簡(jiǎn)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(jī)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(jìn)熱轉(zhuǎn)印機(jī)，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(jìn)入下一個(gè)工序——蝕刻，如圖8所示。高校實(shí)驗(yàn)室常用的蝕刻劑主要有：三氯化鐵+水、鹽酸+過(guò)氧化氫、環(huán)保蝕刻液（過(guò)硫酸鹽+硫酸銅）。其中鹽酸+過(guò)氧化氫腐蝕速度快，但腐蝕性強(qiáng)，還會(huì)產(chǎn)生氯氣，制作的過(guò)程中需要戴上橡膠手套、護(hù)目鏡、防毒氣口罩，有一定的危險(xiǎn)性，不適合大規(guī)模實(shí)驗(yàn)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(duì)弱些，適合在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)課程中的效果分析

3.1 可操作性強(qiáng)

在電子設(shè)計(jì)課程中增加PCB設(shè)計(jì)與制作的實(shí)踐環(huán)節(jié)，能夠給學(xué)生帶來(lái)更加直觀的實(shí)踐效果。通過(guò)EDA軟件的使用，整個(gè)制作流程的體驗(yàn)，使學(xué)生了解到一件電子產(chǎn)品從圖紙到實(shí)物的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，設(shè)計(jì)軟件和制作工具都是簡(jiǎn)單易操作的[2]。

3.2 便于學(xué)習(xí)者課下實(shí)踐

PCB的設(shè)計(jì)和制作分為兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)PCB圖，有計(jì)算機(jī)即可完成；二是在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下制作，選擇制作PCB的材料在市場(chǎng)上可方便購(gòu)買(mǎi)，環(huán)保性、安全性較高，學(xué)生可以在課下進(jìn)行制作實(shí)踐。將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，達(dá)到課上學(xué)習(xí)、課下練習(xí)的目的。

3.3 增強(qiáng)課程的實(shí)踐性，提高學(xué)習(xí)興趣

手工制作PCB，可將電子設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)，在制作PCB的每一個(gè)環(huán)節(jié)上又增加匹配的相關(guān)知識(shí)，驗(yàn)證理論的同時(shí)，又將新的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)融合進(jìn)來(lái)。每一次制作都會(huì)有不同的經(jīng)驗(yàn)收獲，使學(xué)生在整個(gè)電子設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷接受新事物。學(xué)生親身體驗(yàn)制作個(gè)性作品，提高實(shí)踐的信心和興趣，增強(qiáng)了實(shí)踐學(xué)習(xí)的動(dòng)力，使電子設(shè)計(jì)的課堂不再單調(diào)、枯燥。

4 PCB設(shè)計(jì)與制作促進(jìn)電子設(shè)計(jì)課程的改革

4.1 考核電子設(shè)計(jì)知識(shí)層次

利用EDA軟件對(duì)電子產(chǎn)品中電路進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，考核學(xué)習(xí)者對(duì)PCB設(shè)計(jì)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(jì)軟件比較多，通過(guò)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(shí)就會(huì)比較容易上手，了解行業(yè)內(nèi)常用的制板軟件的特點(diǎn)，制作自己的元件庫(kù)，開(kāi)發(fā)出不同的功能，應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)中[3]。

PCB圖熱轉(zhuǎn)印到敷銅板時(shí)需要專(zhuān)用的激光打印機(jī)，對(duì)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(yàn)制作者會(huì)用油性筆對(duì)斷線處進(jìn)行描繪。而打印的菲林紙則對(duì)硒鼓沒(méi)有過(guò)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(jìn)行特殊處理才可以配合菲林紙拍照使用。雕刻機(jī)制作PCB不需要打印圖紙，只需要將EDA軟件設(shè)計(jì)好的圖紙導(dǎo)入雕刻機(jī)即可，雕刻機(jī)安裝不同的刀具可實(shí)現(xiàn)電路板的雕刻。學(xué)習(xí)者熟練掌握這些技能后，在沒(méi)有專(zhuān)用的設(shè)備時(shí)，可以借助常見(jiàn)的電熨斗來(lái)進(jìn)行熱轉(zhuǎn)印，從而達(dá)到制板的目的。

PCB蝕刻工序是考核學(xué)習(xí)者實(shí)踐能力的一個(gè)重要指標(biāo)，學(xué)習(xí)者要掌握蝕刻液的配比選擇，對(duì)蝕刻時(shí)間的要求，蝕刻時(shí)的安全防護(hù)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(jī)的使用和鉆頭的更換、保護(hù)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(lái)的經(jīng)驗(yàn)；可用酒精和松香進(jìn)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(jì)實(shí)踐接受度

PCB制作加入到電子設(shè)計(jì)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(lái)，用項(xiàng)目化任務(wù)使整個(gè)課堂更加充實(shí)，將一個(gè)電子產(chǎn)品從無(wú)到有制作出來(lái)，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(shí)踐的機(jī)會(huì)，課堂積極性充分調(diào)動(dòng)[4]。

4.3 PCB制作改變學(xué)生對(duì)電子設(shè)計(jì)實(shí)踐的認(rèn)知度

電子設(shè)計(jì)是將多門(mén)課程融合的一門(mén)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐課程。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，會(huì)將原來(lái)學(xué)過(guò)的相關(guān)課程重新學(xué)習(xí)一遍，課程中加入PCB制作實(shí)踐，將電路中的元器件參數(shù)、封裝，印制導(dǎo)線的粗細(xì)，元件之間的距離，焊盤(pán)的直徑、孔徑，元件和導(dǎo)線之間距離都做了詳細(xì)規(guī)劃，以及指導(dǎo)學(xué)生對(duì)非常規(guī)元件封裝制作方法、手工布線方法在制板過(guò)程中的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)制板流程的認(rèn)識(shí)，達(dá)到促進(jìn)電子設(shè)計(jì)實(shí)踐創(chuàng)新的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家對(duì)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(guò)程中，加大了各門(mén)專(zhuān)業(yè)課的實(shí)踐力度。印刷電路板（PCB）的制作在電子課程的設(shè)計(jì)自動(dòng)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(jì)與制作增設(shè)為課程實(shí)踐改革的主要內(nèi)容，為學(xué)校的培養(yǎng)方向和市場(chǎng)的需求搭建溝通的橋梁，將學(xué)校和企業(yè)進(jìn)行有機(jī)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)高校產(chǎn)教融合和課程革新的目標(biāo)。