基于電子電路印刷技術(shù)的“電子設(shè)計”教學(xué)改革*

嚴小黑，鄭 鑫，楊保海

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

“電子設(shè)計”課程是電子信息類相關(guān)專業(yè)的重要實踐課程。課程著重培養(yǎng)學(xué)生電子電路設(shè)計能力和綜合運用能力。課程要求學(xué)生運用電子電路相關(guān)知識，完成從簡單到復(fù)雜功能電路的設(shè)計和制作，以達到掌握電子設(shè)計制作技術(shù)的目的。

1 “電子設(shè)計”課程現(xiàn)狀

目前，各高校的“電子設(shè)計”課程主要采用以下模式開展：①設(shè)計電路原理圖，依據(jù)功能目標設(shè)計電路原理圖，并使用專業(yè)軟件進行繪制；②原理圖仿真測試，對設(shè)計的電路原理圖進行虛擬仿真測試；③面包板驗證或公司制板，然后進行元器件安裝；④調(diào)試系統(tǒng)功能，使用專業(yè)儀器按功能目標對制作完成的電路板進行實際的功能元器件安裝測試。以上“電子設(shè)計”課程模式面臨以下問題：①效果差。面包板驗證可靠性差、不利于移動，為電路驗證帶來不便。②效率低。公司制板后驗證所需時間長，費用高（10 cm×16 cm 雙面制板費用約180 元），易產(chǎn)生浪費（制板必須5 張起），且頻繁產(chǎn)生財務(wù)報銷等工作。③教學(xué)效果差。在電子電路設(shè)計中，實驗室不具備快速、可靠的驗證手段，會降低設(shè)計效果。④領(lǐng)域窄。對于柔性電子、射頻電路等具有特殊性能的電子設(shè)計，僅停留在理論設(shè)計和仿真驗證階段，實驗室對特殊材料不具備驗證和制作能力[1]。綜上所述，為進一步改善實驗室的綜合實驗環(huán)境，尤其是提升實驗室電路制作能力，急需改變現(xiàn)行的教學(xué)模式，在其中增加新工藝、新技術(shù)，以覆蓋電子設(shè)計全流程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究效率，全方位培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

2 基于PCB 快速制板系統(tǒng)的電子設(shè)計

PCB 快速制板系統(tǒng)采用液態(tài)金屬作為打印材料，能在基底膠片上快速堆疊成型出電路[2]。其具有如下優(yōu)勢：①個性定制。電路制造個人化，滿足創(chuàng)作需求，能讓創(chuàng)作者抓住稍縱即逝的靈感。②制板能力強?？蓪崿F(xiàn)單層電路板和雙層電路板的制作。③操作性強。打印電路常溫下處于固態(tài)，無需封裝。當電路板布線密集時，學(xué)生焊接元器件的可靠性更高，可操作性更強。④經(jīng)濟高效。單面電路材料成本低至5 元，成型時間僅需30 min（以常見走線密度，尺寸為100 mm×160 mm 的板子為例），雙面PCB 板（100 mm×160 mm）材料成本低至10 元，加工僅需90 min。⑤安全環(huán)保。全過程無化學(xué)試劑添加，操作步驟便捷無污染。⑥便捷低噪。印刷系統(tǒng)軟件與電路制圖軟件兼容性好，一鍵讀取并打印，制作過程基本靜音。⑦藝術(shù)創(chuàng)作。打印工藝具有靈活性和高兼容性，可以電子電路形式展示藝術(shù)品的美觀性。

現(xiàn)以雙層板制作為例，說明PCB 快速制板系統(tǒng)制作電路板的流程：①電路打印。先進行載圖、設(shè)備預(yù)熱調(diào)試，然后打印雙面電路頂層和打印雙面電路底層。②后處理。檢視打印斷路線路，采用軟件或手動修補斷路線路，通過熱處理增加電路附著力。③對位貼合。頂?shù)妆趁婀瓮磕z水，頂?shù)妆硨ξ毁N合，利用光固化固定頂?shù)装濉＂茈p層過孔。使用高速鉆床進行打孔，使用無鉛焊絲進行通孔焊接，完成直插件焊接并剪裁基片。⑤質(zhì)量檢測。檢查電路是否完整并修復(fù)斷路斷路線路。

雙層板貼合、雙層板打孔、雙層板過孔焊接如圖1所示。

圖1 雙層板貼合、雙層板打孔、雙層板過孔焊接圖

PCB 電子電路印刷系統(tǒng)為實驗室環(huán)境下復(fù)雜電路設(shè)計驗證帶來前所未有的快速實現(xiàn)途徑。該系統(tǒng)滿足電子信息類課程教學(xué)、電工電子實習(xí)、電子課程設(shè)計、科技競賽、創(chuàng)新實踐過程中的設(shè)計推敲、快速驗證及產(chǎn)品迭代需求，將電子電路設(shè)計、仿真、印刷制造相結(jié)合，使研究過程形成閉環(huán)，競爭力得到顯著提升。

3 基于液態(tài)金屬柔性電路印刷系統(tǒng)的電子設(shè)計

液態(tài)金屬柔性電路印刷系統(tǒng)可在柔性PVC 或PET薄膜上，打印出液態(tài)導(dǎo)線，并經(jīng)低溫轉(zhuǎn)印，將導(dǎo)電線路印在柔性可拉伸基底，使電路具有良好的延展性、柔性、耐彎折和可拉伸性[3]。

除擁有PCB 快速制板系統(tǒng)的優(yōu)勢外，其還具有如下優(yōu)勢：①在磁場等特殊環(huán)境的微弱變化下具有較高的靈敏性，可實現(xiàn)RFID 通信、雷達天線通信；②可制成單層電路板和柔性可拉伸電路板；③通過液態(tài)金屬打印機制作的電路板，學(xué)生可手動將貼片元件安裝在電路中，很好地模擬了SMT（表面安裝技術(shù)）產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝。

使用液態(tài)金屬柔性電路印刷系統(tǒng)制作柔性電路的工藝流程為：①打印。在柔性PVC 或PET 薄膜上，打印出液態(tài)導(dǎo)線電路。②封膠。在液態(tài)導(dǎo)線電路上涂一層封膠，并用真空干燥箱加速膠體固化速率，保護電路。③轉(zhuǎn)印。將導(dǎo)電線路印在柔性可拉伸基底上。④貼片。使用貼片式元器件完成電路制作并檢測電路功能。⑤封裝。使用封裝膠水，真空干燥箱加速封裝，用于完成元件貼片后電路的保護。

液態(tài)金屬柔性電路印刷系統(tǒng)為實驗室環(huán)境下設(shè)計并制備柔性電路及射頻通訊天線等電子產(chǎn)品帶來解決方案。該系統(tǒng)滿足電子信息類創(chuàng)新實驗項目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中產(chǎn)品設(shè)計、驗證、電路打樣及效果展示等需求，還可為學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新類競賽提供研究平臺，使競爭力得到顯著提升。

4 液態(tài)金屬電子電路打印——智能循跡小車循跡電路設(shè)計

4.1 循跡電路原理

循跡傳感器電路如圖2 所示，其工作原理為紅外光的發(fā)送和接收由OPTOISO1 對管實現(xiàn)。Signal 端為檢測信號輸出，當小車遇到黑線，黑線吸收大量的紅外線，反射的紅外線很弱，光敏三極管不導(dǎo)通，Signal輸出高電平；當小車遇到白線，與黑線相反，反射的紅外線很強，使光敏三極管導(dǎo)通，Signal 輸出低電平。Signal 信號送到單片機的I/O 口，當I/O 檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑上引導(dǎo)線吸收了，表明小車處于黑色的引導(dǎo)線上；同理，當I/O 口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。

圖2 循跡傳感器電路圖

為保證循跡的準確，智能小車的循跡電路設(shè)計了4路循跡傳感器，進行兩級方向糾正控制，4 個傳感器的具體位置位于圖3 的TCRT5000 處，其中中間2 個為第一級方向控制傳感器，兩側(cè)2 個為第二級方向控制。小車行走時，始終保持黑線在傳感器第一級方向控制傳感器的中間，當小車偏離黑線時，第一級探測器一旦探測到有黑線，單片機就會按預(yù)先編制的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即4 個探測器都只檢測到白色，則小車會繼續(xù)行走；若小車由于慣性太大，太偏離軌道，越過了第一級探測器的探測范圍，這時第二級探測器開始行動，再次對小車的運動進行糾正，使之回到正確的軌道上。第二級探測器是第一級探測器的后備保護，從而提高小車循跡的可靠性。循跡電路通過CON6 接口與單片機的I/O 相連，循跡電路的完整PCB 原理如圖3 所示。

圖3 循跡電路的PCB 原理圖

4.2 循跡電路制作

4.2.1 液態(tài)電子電路打印機調(diào)試

打印前需先詳細閱讀機器使用說明書和軟件使用說明書，具體打印步驟為載圖→預(yù)熱→調(diào)試→打印。首先打開軟件連接軟件與設(shè)備通信，然后載入圖紙并進行調(diào)試，若調(diào)試時無法達到可打印要求，且操作軟件顯示數(shù)據(jù)正常，則應(yīng)為打印頭堵塞，需更換打印頭。調(diào)試完成后則可開始打印。

4.2.2 主控電路打印及修補

主控電路打印及修補步驟如下：打開Dream S1 操作軟件→找到打印圖紙路徑并將設(shè)計好的主控電路圖載入→將基材揭開保護膜后，正面朝上推入設(shè)備滾輪中，并在設(shè)備控制面板控制滾輪移動基材，使基材下方對準打印基線→設(shè)置合適的打印參數(shù)→打印頂層電路→在打印結(jié)束后，可點選操作界面右上角“修補”按鈕，進入操作軟件修補界面。進入修補界面后，可以點選或框選需修補的線路，完成線路的修補。

4.2.3 電路板打孔及貼片元件焊接

貼片元件焊接流程如圖4 所示，依次為加高焊盤→元件預(yù)處理→貼片→補焊，焊接時低溫烙鐵溫度均設(shè)置為72 ℃。具體操作細節(jié)如下。

圖4 貼片元件焊接流程

加高焊盤。使用低溫烙鐵將低溫焊錫絲熔融后點取少量在焊盤上加高。

貼片元件預(yù)處理。使用鑷子將貼片元件在助焊膏中進行涂抹后取出。

貼片元件浸鍍。將貼片元件放入坩堝內(nèi)金屬熔池內(nèi)加熱。坩堝溫度設(shè)置為200 ℃。浸入時，會出現(xiàn)輕微的氣泡，待氣泡不再生成后，將元件取出。

貼片。取出元件后，需在2～5 s 內(nèi)將元件放置于指定焊盤上?？梢园l(fā)現(xiàn)，元件可將焊盤處金屬熔融，待焊盤處金屬冷卻后元件引腳被金屬包覆，形成焊點。

補焊。若焊點不夠飽滿，則需使用低溫烙鐵及低溫焊錫絲進行補焊。

過孔。將無鉛焊錫穿過過孔，使用低溫烙鐵和低溫焊絲將無鉛焊錫焊接在基材上，再使用電工鉗將無鉛焊錫切斷。

制作加工完成的循跡電路實物如圖5 所示。

圖5 循跡電路實物

5 結(jié)語

將電子電路印刷技術(shù)引入“電子設(shè)計”教學(xué)中，能為實驗室環(huán)境下復(fù)雜電路設(shè)計驗證帶來前所未有的快速實現(xiàn)途徑，能為實驗室環(huán)境下設(shè)計并制備柔性電路及射頻通訊天線等電子產(chǎn)品帶來解決方案，滿足電子信息類課程教學(xué)、電子課程設(shè)計、科技競賽、創(chuàng)新實踐過程中的設(shè)計推敲、快速驗證及產(chǎn)品迭代需求，競爭力得到顯著提升。