手工PCB在实践教学中的应用

赵 鹏 王宇飞

（新疆理工学院 机电工程学院，新疆 阿克苏 843000）

在我国，地方院校工科专业的定位一般以立足地方、服务地方、辐射周边，培养高素质应用型、技能型人才为主。其培养的学生要求具备较强的实践能力，而电子类专业的能力要素主要体现为电路设计与调试能力。随着虚拟仪器的发展，传统的仿真软件如Proteus、Multisim等通过模拟仿真验证理论的正确性，但其受限于软件附带的库，特别是国产芯片很难找到参数相同的模型。而电子产品的设计包含了布局、布线、组装、焊接、调试等各个流程，需要全方位考核学生的实践能力,使学生对器件的选型、封装大小、线宽、线间距、封装形式有明确的认识。同时，传统的设计软件如Altium Designer等提供了原理图和封装的绘制功能，使实物设计不受软件的约束。文章采用感光制版技术加工印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），并根据专业特点汇总并自建了常用器件的集成封装库供学生使用，有效解决了地方院校PCB制作时效低的问题，并将其应用于实践教学中，提升了学生的兴趣，为后续学科竞赛人才的储备及选拔提供了借鉴，同时也为学生毕业设计实物制作打下了坚实的基础。

1 手工PCB制作工艺流程解析

手工PCB制作技术，曾经有将PCB图镜像打印到热转印纸上，经热转印机转印到铜板上然后蚀刻，被油墨遮盖部分的保留下来，其余部分则蚀刻掉，保留下来的为线或焊盘，经过钻孔或焊接等环节完成。该方案的优点：无须感光胶涂板，省去了曝光、去膜环节。该方案的缺点：需要热转印设备，热转印过程容易将覆铜板氧化，制作图形较粗糙，在蚀刻过程中由于油墨附着不牢固容易断线，导致制作PCB的成功率较低[1]。

PCB线路图形制作有网版印刷方法，但需要制作网版，对于加工少量实验板不适合，因此选用光致成像图形转移法，以下简称感光法。

在学校实验工厂条件有限，确定采用感光法制作单面PCB及组装。手工制作主要流程为：PCB设计——照相制版——感光图形——蚀刻图形——钻孔——防氧化处理—焊接组装。

教学中选择PCB是单面板，并且省去了阻焊图形和字符图形制作。

2 Altium Designer中PCB原图和底片打印

常用PCB制图软件有PADS、ALLEGRO、OrCAD及Altium Designer，高校中Altium Designer用得最为广泛，文章以Altium Designer为例进行设置。PCB图层包含线路层、阻焊层、字符层，当双面板时线路有顶层、底层，为便于加工设计文件又细分成布线层、通孔焊盘层、机械尺寸层。手工PCB只需提供线路层、机械尺寸层。

照相底版的制作是采用喷墨打印完成。由上述设计文件构成的程序指令输入喷墨打印机，用透明聚酯为基片上打印出黑色线路图形。对于正性感光板将线路设置为黑色，对于负性感光板设置颜色刚好相反。

打印机如果选用激光打印机打印照相底版胶片，因打印机速度快，容易产生热量使打印胶片遇热变形，而PCB中布局布线较为精密，如线宽为0.25 mm（10 mil），制版胶片形变后可使相邻的器件错位，甚至信号线重叠而造成信号时序混乱[2][3]。因此，打印机选择较为原始的喷墨打印机，且使喷墨打印机速度调至最低，图形打印在磨砂面上，使打印黑度在5.0以上，能够有效阻止曝光环节紫外线的穿透。

3 制板过程

3.1 感光膜涂覆

在覆铜板表面涂覆感光膜成为感光板，可以使用覆铜板表面贴合感光干膜制成，其中感光干膜夹在两侧薄膜之间，需要撕去底层与铜基板贴合，待贴好后撕去顶层以便显影后的蚀刻环节，该方法存在感光干膜贴合过程中容易出现气泡、褶皱等情况，而且感光干膜与铜基板附着不牢靠，容易在蚀刻环节受蚀刻液的流动而断线；也可将光致抗蚀剂膜利用细毛刷均匀涂抹于铜基板上制成感光板，该方案需要将感光胶晾干后才可使用，如需加急使用可采用电吹风或热风枪均匀加热使其速干；市面上也有已经制好的正性或负性感光板，其性能较为优良，可以根据设计成本、需求综合选择。

3.2 曝光与显影

感光制版是附着在铜基板上的光致抗蚀剂膜与打印制成的PCB照相底版贴合，经曝光后发生光分解反应，被照相底版黑色遮盖住的部分未曝光，经显影形成线路，成为蚀刻时保护层。

现采用正性感光板，感光板的保存应采用不透光的密封袋封存，如果暴露在太阳光下，因阳光中含有紫外线，则会使感光板自动曝光，使感光板失效。曝光机采用365 nm紫外线灯管曝光，也可在强烈的太阳光下直接照射曝光。曝光时间以感光胶商家建议的曝光时间为准，也可根据曝光效果增加或缩减曝光时间。

显影液用以将曝光后的感光板图形显示出来。因感光板选用正性感光板，显影液也采用弱碱性正性显影液。显影温度为30 ℃左右，在塑料盘内轻摇或用软毛刷轻刷，直到全部显现出来，一般为30 s。

3.3 蚀刻与去膜

蚀刻槽用以盛放蚀刻液，并采用加热棒加热，同时利用增氧泵使蚀刻液流动，以加快蚀刻液与裸露的覆铜层反应。蚀刻速度与蚀刻液温度有关，40 ℃蚀刻时间不超过30 min，一般加热至40～45 ℃效果最佳，蚀刻裸露于感光膜外的覆铜层。蚀刻液可采用三氯化铁或环保型的蚀刻剂配置，市面上有环保型蚀刻剂，以硫酸、过氧化氢为主，其配制成的蚀刻液为无色，与铜反应后变为绿色，当颜色较深同时蚀刻速度变慢时说明蚀刻液已经饱和需要重新配制蚀刻液，而废弃蚀刻液可浓缩回收硫酸铜。该蚀刻液不能为提高温度而利用金属加热器加热蚀刻液，否则会将金属加热体腐蚀，造成短路事故[4][5]。蚀刻完成后覆盖在铜线、焊盘上感光膜要去除掉，以便焊接。去膜液由强碱氢氧化钠配置而成。蚀刻后的覆铜板浸入去膜液较长时间，让感光膜浮起脱落，板子置于去膜液中容易使铜氧化，并且碱液会侵蚀环氧基板，因此去膜完成后应立即取出。

3.4 钻孔

根据焊盘直径和插入引线直径，选择匹配的钻头钻孔。由于学校条件有限，手工加工只能用普通台式钻机，一个个地钻孔。如果PCB上安装的都是贴片元件，则可以省略或减少钻孔环节，使制作更加便捷。

3.5 防氧化处理

蚀刻后的铜在空气长期放置中容易氧化，需要进行防氧化处理，可以采用化学镀锡，也可采用松香溶于乙醇后的液体涂抹于PCB上，待乙醇挥发完全后形成防氧化层，既起到助焊，又起到防氧化作用。

3.6 焊接组装

对照电路图纸，准备好各种要安装的元器件，以及电烙铁和焊锡丝，采用手工焊接把元器件安装在PCB上。

4 手工制作PCB在学科竞赛中的应用

4.1 感光制版技术在学科竞赛中的应用

PCB设计制作、调试及验证是电子类专业《电路分析》《模拟电子技术》《数字电子技术》《单片机原理及应用》《传感器原理及应用》《电子线路CAD技术》等课程内容的综合应用。在时效性要求较高的学科竞赛中，其优势非常明显[6]-[8]。利用感光制版技术完成了2021年全国大学生电子设计竞赛“用电器分析识别装置”实物的设计。该作品从方案选择、原理图的绘制、PCB布局布线设计、PCB制作、焊接、软硬件调试共计四天三夜完成。采用Altium Designer软件绘制原理图并设计PCB，图1为利用喷墨打印机打印出来的正向图形制版胶片。

将打印好的制版胶片晾干后，其油墨面与正性感光板感光面贴合，通过曝光、显影、蚀刻、去模、钻孔及焊接后的效果如图2所示。系统联调与测试后，本设计集抗干扰能力强、抗机械冲击强度高、性能稳定等优点，最终的测试效果如图3所示。该作品也获得了省级二等奖。

4.2 感光制版过程中注意事项

（1）本项目采用正性感光胶膜，配以正像打印胶片，且应用正性显影液显影。若釆用负性感光胶膜，则配以负像打印胶片，且应用负性显影液显影。

（2）不能 将感光板或感光干膜暴露于太阳光下，以免曝光失效。

（3）蚀刻时间长短和蚀刻温度相关性较大，由于采用浸蚀，一般蚀刻温度为45 ℃左右时，蚀刻时间一般不超过30分钟，蚀刻过程中要实时观察蚀刻效果，如果蚀刻过度会出现断线的情况。

（4）喷墨打印线路胶片的油墨厚度应当足够黑，在曝光时阻止紫外线穿透油墨，防止PCB信号线或焊盘出现断线。

（5）不可将感光板与图像胶片贴反，导致镜像曝光。

（6）对于曝光效果不太好的时候，出现短路可以用手术刀将线路相连的部分切断，出现断线可以用油性记号笔修复。如果图形缺陷较多，可以重做PCB。

（7）该方案对于单面板设计非常有效，但如果电路复杂单面布线无法通过时，可采用零欧姆电阻跨接。

5 结语

手工PCB不如工业板有阻焊层、字符层等外形美观，但功能上完全等同。对于双面板的制作，可采用打定位孔的形式使顶层和底层对称，通过过孔金属化技术，使焊盘和过孔上下连通。感光制版技术满足高效低成本的设计需求，在教学实践中的实物制作环节比传统的热转印技术有明显的优势，在地方院校，以此方案完成实物制作能激发学生的学习兴趣，促进学风和团队协作精神，有效解决地方院校电子设计类项目实物制作不便的问题。

通过手工制作简单的PCB，能使学生直观地体会到PCB设计中布局、布线的重要性，提高学生学习兴趣及对PCB产业的理解。