高校电子设计课程PCB设计与制作实践教学方法研究

胡辉

（商丘职业技术学院机电系，河南 商丘 476000）

1 引言

高校的电子设计课程在设计电子产品时，主要是以电路的设计为主，电路设计包括各单元电路参数的计算—电路图的设计—电路的制作—调试，整个过程中为了节省时间，电路的制作常用万能板搭建，这种方式虽然便捷，但可观赏性和稳定性相对来说都比较差，采用电子设计自动化技术设计制作PCB可以解决电路设计环节中可靠性的问题。许多高校是将电子设计自动化和电子制作、电子技能课程分别单独开设的，这样就不能完整实现电子产品的设计。将这些课程融合成一门课程，利用EDA软件进行电路设计、仿真、调试，采用转印、腐蚀、雕刻等方法制作PCB，改变传统的教学模式，整合更多的教学资源，提高学生动手实践的动力。设计制作PCB常用的软件主要有Protel 99SE、Altium designer、Pads、嘉立创、Proteus、Candance，高校早期常用Protel 99SE作为PCB电路设计制作的工具，现在多用其升级版本Altium designer来设计制作[1]。本文通过占用空间小、易操作的Protel 99SE软件设计PCB，并用手工的方法制作出PCB实物，通过软件的使用和实际动手操作，让每一个学习者都能够亲身体验制作PCB的乐趣。

2 EDA软件设计PCB

2.1 电子产品PCB制作流程

电子产品中的PCB制作的流程如图1所示，首先绘制出已设计好的电路原理图，将原理图转换成PCB设计图，调整好的PCB图通过热转印纸或菲林纸将转印到敷铜板上，转印好的敷铜板放入腐蚀液中一段时间捞出，然后用钻台钻孔，最后可用木炭擦拭掉油墨，涂上松香油，完成一块PCB的制作。

图1 PCB制作的流程框图

2.2 正负电源单面印制板图设计

（1）绘制电路原理图

正负稳压电源（如图2所示）是生活中常用的电路，在电子设计课程中应用也比较广泛。

打开Protel 99SE或Altium designer，在绘制原理图的界面调出原理图需要的元件，根据图2绘制出加有封装的原理图文件。

图2 正负稳压电源电路

（2）单面PCB图设计

在软件中打开图2中所绘制的正负电源电路，执行菜单命令Design/Update PCB，在弹出Update Design（更新设计）对话框的同时程序会自动创建一个与原理图文件同名的PCB文件并处于当前打开状态，单击对话框左下角的Preview Change按钮，对话框变为图3所示。

图3 更新设计对话框

单击Execute（执行）继续，出现一个是否继续的对话框，选择Yes确认。切换到PCB编辑器，执行Design/Options命令，将可视栅格修改为100mil，切换到Options选项卡，修改锁定栅格为25mil。双击任何一个元件，在弹出的对话框中选择顶部的第三个Comment选项卡，在选项卡的下部Hide后打上对钩，然后再单击右下角的全局（Global）按钮，打开全局对话框，在Hide栏中选择Same项后，单击OK确认，在出现的是否继续对话框中单击Yes确认，就可隐藏所有元件的型号或参数。选中所有元件，按快捷键I/P，在弹出的元件标注位置对话框中选择合适的标注位置，单击OK确认，图4是确认后结果。

图4 元件标注位置自动调整结果

设置设计规则为单面电路板，地线的宽度为60mil，一般布线的宽度为40mil，并合理定义电气边界。按A/A/R快捷键或执行Auto Route/All菜单命令，在弹出的对话框中单击Route All按钮，程序会自动布线（自动布线可重复执行），图5是执行自动布线后的一种结果。

图5 自动布线结果

手工调整布线、元件标注后结果如图6所示。

图6 手工调整后的最后结果

2.3 制作PCB实物

（1）转印PCB

设计好的PCB图，需要通过激光打印机将调整好的转印图打印到转印纸或菲林纸上（也可以用雕刻机直接雕刻），通过热转印或感光拍照将PCB图转印到敷铜板上。在高校的印刷电路板制作实践课上常用比较简单的热转印，这种方法易操作、成本低，适合大规模学生手工操作。只需把转印机的温度调到摄氏200℃左右，将打印好的转印纸与敷铜板贴紧送进热转印机，就可以将PCB图印到敷铜板上，如图7所示。

图7 PCB热转印

（2）配比腐蚀液蚀刻PCB

转印之后的敷铜板还需要进入下一个工序——蚀刻，如图8所示。高校实验室常用的蚀刻剂主要有：三氯化铁+水、盐酸+过氧化氢、环保蚀刻液（过硫酸盐+硫酸铜）。其中盐酸+过氧化氢腐蚀速度快，但腐蚀性强，还会产生氯气，制作的过程中需要戴上橡胶手套、护目镜、防毒气口罩，有一定的危险性，不适合大规模实验使用。三氯化铁腐蚀和环保蚀刻液不产生有毒气体，腐蚀性相对弱些，适合在实验室使用。转印好的敷铜板面朝上放入腐蚀液中，等待一段时间之后就完成了腐蚀，捞出用清水冲洗干净即完成蚀刻。

图8 蚀刻

（3）PCB后续处理

蚀刻好的PCB需要用合适的钻头钻孔，然后用木炭或砂纸去掉板子上油墨，涂抹上松香油或其它防氧化剂，有条件的话可以在导线上涂上阻焊剂防止氧化。这样一块PCB就制作完成了，如图9所示。

图9 制作成功的PCB

3 PCB制作在电子设计课程中的效果分析

3.1 可操作性强

在电子设计课程中增加PCB设计与制作的实践环节，能够给学生带来更加直观的实践效果。通过EDA软件的使用，整个制作流程的体验，使学生了解到一件电子产品从图纸到实物的实现过程，设计软件和制作工具都是简单易操作的[2]。

3.2 便于学习者课下实践

PCB的设计和制作分为两个环节：一是在计算机上设计PCB图，有计算机即可完成；二是在现实环境下制作，选择制作PCB的材料在市场上可方便购买，环保性、安全性较高，学生可以在课下进行制作实践。将理论与实践有机结合，达到课上学习、课下练习的目的。

3.3 增强课程的实践性，提高学习兴趣

手工制作PCB，可将电子设计的主要环节得以实现，在制作PCB的每一个环节上又增加匹配的相关知识，验证理论的同时，又将新的实践经验融合进来。每一次制作都会有不同的经验收获，使学生在整个电子设计过程中不断接受新事物。学生亲身体验制作个性作品，提高实践的信心和兴趣，增强了实践学习的动力，使电子设计的课堂不再单调、枯燥。

4 PCB设计与制作促进电子设计课程的改革

4.1 考核电子设计知识层次

利用EDA软件对电子产品中电路进行设计制作，考核学习者对PCB设计的软件操作了解和掌握程度，电子技能及制作工具的操作熟练程度。PCB设计软件比较多，通过熟练掌握Protel99SE、Altium designer这两种软件的操作，再学习Pads、嘉立创、Proteus、Candance这些软件时就会比较容易上手，了解行业内常用的制板软件的特点，制作自己的元件库，开发出不同的功能，应用于电子设计中[3]。

PCB图热转印到敷铜板时需要专用的激光打印机，对硒鼓有较高的要求。打印在转印纸上的图不能有断线，否则将影响转印的效果，有经验制作者会用油性笔对断线处进行描绘。而打印的菲林纸则对硒鼓没有过高的要求，一张打印的菲林纸还可以反复使用，敷铜板需要进行特殊处理才可以配合菲林纸拍照使用。雕刻机制作PCB不需要打印图纸，只需要将EDA软件设计好的图纸导入雕刻机即可，雕刻机安装不同的刀具可实现电路板的雕刻。学习者熟练掌握这些技能后，在没有专用的设备时，可以借助常见的电熨斗来进行热转印，从而达到制板的目的。

PCB蚀刻工序是考核学习者实践能力的一个重要指标，学习者要掌握蚀刻液的配比选择，对蚀刻时间的要求，蚀刻时的安全防护操作，蚀刻剂的环保要求，蚀刻结束后废液的安全环保处理等。

钻机的使用和钻头的更换、保护也是学习者所必须掌握的技术，如PCB钻孔的力度把握决定了焊孔的美观程度；木炭和砂纸去掉油墨的方法是多次制板之后总结出来的经验；可用酒精和松香进行配比制作出松香油作为新制PCB的防氧化剂和助焊剂；等等。

4.2 PCB制作增加电子设计实践接受度

PCB制作加入到电子设计课程中，改变了传统的授课形式，将教学做真正结合起来，用项目化任务使整个课堂更加充实，将一个电子产品从无到有制作出来，课程内容得以从抽象到具体地呈现，大大提高了学生学习制板的兴趣，增加了学生实践的机会，课堂积极性充分调动[4]。

4.3 PCB制作改变学生对电子设计实践的认知度

电子设计是将多门课程融合的一门专业实践课程。在学习过程中，会将原来学过的相关课程重新学习一遍，课程中加入PCB制作实践，将电路中的元器件参数、封装，印制导线的粗细，元件之间的距离，焊盘的直径、孔径，元件和导线之间距离都做了详细规划，以及指导学生对非常规元件封装制作方法、手工布线方法在制板过程中的学习与应用，增强了学生对制板流程的认识，达到促进电子设计实践创新的目的。

5 结语

国家对电子科技人才的需求不断增加，促使高校在课程规划及方案培养制定的过程中，加大了各门专业课的实践力度。印刷电路板（PCB）的制作在电子课程的设计自动化中起着至关重要的作用，在“双高”建设背景下，高校的电子课程将PCB的设计与制作增设为课程实践改革的主要内容，为学校的培养方向和市场的需求搭建沟通的桥梁，将学校和企业进行有机对接，实现高校产教融合和课程革新的目标。