可制造性设计规范融入《电子线路制图与制版》课程改革实践

顾菊芬

(苏州信息职业技术学院 通信与信息工程系 江苏 苏州:215200)

0 引言

PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气相互连接的载体。PCB设计借助EDA软件来完成电路版图的设计,是电子产品开发流程中非常重要的一个环节。随着智能制造工厂的不断发展,PCBA(Printed Circuit Board Assembly,印制电路板组装)加工技术得到普及,PCBA依赖自动化和智能化设备将电子元器件焊接到印制电路板上,形成完整的电子产品功能部件,极大解放了人力,提高了生产效率,同时对PCB可制造性设计提出了更高的要求[1-3]。

国际电工委员会(IEC)制定了有关印制板设计、制造和电子装联技术标准和规范100余项,涉及到印制板及其组装件设计、材料、各类型产品、制造技术及测试方法和质量保证等方面,构成一个相互配套的体系,是重要的PCB可制造性设计规范[1-3]。目前在国际上最有影响并被许多国家采用的标准,主要是美国电子电路封装协会的标准(即IPC标准)。在IPC标准中对PCB及其安装技术的标准已形成了完整的体系,包括设计、制造和安装工艺、材料、各类产品、试验方法和质量保证等6个方面,该体系的标准相互配套性好、可操作性强、标准修订速度快、内容先进,适合于元器件、印制板及安装技术发展的需要。

《电子线路制图与制版》是高职院校电子信息专业培养具备适度理论知识和较强实践能力的PCB设计人才的重要课程。笔者在课程教学时,探索将PCB可制造性设计规范融入教学实践,使学生树立了PCB设计的可制造性规范意识,提高了学生的职业素养和就业竞争力。

1 PCB可制造性设计课程改革必要性

课题组前期调研了PCB行业企业和专业招聘网站,了解到电子类专业技术人员从事的PCB设计或Layout岗位职责一般包括:负责PCB元件标准封装的建立以及元件库的创建和维护;根据结构原理图进行PCB布局,独立完成符合硬件、结构要求的PCB设计及优化;负责PCB制版过程工程确认,配合工艺工程师优化,改善设计;负责PCBA试制过程中输出试产报告,并改善PCB设计问题;负责对PCB制造工艺以及电子装联工艺编写相关PCB设计规范;编制PCBA工艺文件,与PCBA厂解决生产问题;输出相关的生产文件,编制品质体系相关文件。

对于行业企业而言,一般PCB设计制造相关岗位要求对PCB可制造性设计标准及工艺规范都有较高的要求[1]。这就要求在《电子线路制图与制版》课程教学时渗入PCB可制造性设计规范、工匠精神,使学生明确电路设计与PCB工艺规范紧密关联,树立PCB设计的可制造性规范意识[2,3]。

PCB设计或Layout设计作为硬件工程师的典型岗位,需要工程实战经验积累和沉淀,技术成熟周期相对较长,在学习课程时渗透可制造性规范设计,对于未来职业发展有着重要的指导意义。PCB设计在满足产品功能和性能可实现的前提下,PCB 的可制造性设计应至少考虑如下基本问题:(1)自动化生产所需的工艺传送边、定位孔、光学定位符号。(2)与生产效率有关的拼板。(3)与焊接合格率有关的元件封装选型、基板材质选择、组装方式、元件布局、焊盘设计、阻焊层设计。(4)与检查、维修、测试有关的元器件间距、测试焊盘设计。(5)与PCB制造有关的导通孔和元件孔径设计、焊盘环宽设计、隔离环宽设计、线宽和线距设计。(6)与装配、调试、接线有关的丝印或腐蚀字符。(7)与焊接、螺装、铆接工艺有关的孔径、安装空间。

我院《电子线路制图与制版》课程开设于大二第一学期,学生已学习过模拟电子、数字电子技术课程,具备一般的识图分析能力,但对PCB生产制造行业规范、生产制造设备不熟悉。针对以往课程教学只注重进行软件操作,教学目标停留在PCB设计流程的软件操作层次,课程组结合学生学习和教学的实际情况,对课程进行了改革,对课程内容进行了整体设计和重构,将PCB 可制造性设计融入项目案例和实践教学,以电路应用为基础,遵循行业规范,渗透精益求精的工匠精神,培养学生实现印制电路板从制图到制版的能力。

2 可制造性设计规范融入课程改革实施路径

2.1 构建“理实一体”的教学内容体系

课题组引入多个企业真实案例,按照由浅入深、由简单到复杂的编排顺序,通过项目引领、任务驱动组织教学内容,融“教、学、做”于一体,采用练习、产品仿制及自主设计三阶段组织,从放大电路、插卡音箱、电子沙漏等电子产品开展工程训练,利用成果导向来激发学生学习兴趣。融入可制造性设计规范的《电子线路制图与制板》课程教学内容体系如图1所示。

图1 融入可制造性设计规范的《电子线路制图与制板》课程模块

教学过程灵活运用任务驱动、项目教学法、分组讨论等多种教学方法,夯实课堂教学“主渠道”,活跃课堂,提高学生学习积极性,提升教学质量;在教学过程中教师不仅仅围绕电路设计进行软件操作、PCB设计流程,完成成果文件输出,更加注重融入可制造性设计规范标准。

可制造性设计理念不仅是一种技术要求,更加体现了务实求真的科学思维、工匠精神、创造精神。教师在教学中强调在设计阶段考虑制造因素,提高产品设计、工艺设计、制造一次成功率,降低成本、提高质量、缩短开发周期,并通过学生工程制版测试反馈及调整优化训练;注重培养学生基于PCB可制造性设计的综合工程素养和技能,在此过程中无痕融入行业规范、设计要求等行业思政元素,培养学生的科学素养、工匠精神、品质意识。

2.2 通过线上线下混合式教学,渗透可制造性设计规范

2.2.1 建设工作手册教材和在线开放课程

互联网时代,在线教学和混合式教学成为了必不可少的教学形式,在线开放课程和配套的工作手册教材建设显得尤为重要,符合“以学生发展为中心、以学生学习为中心,以学习成果为中心”的教育理念。

为此,课程组结合企业岗位和智能硬件装调1+X证书要求,开发了专业能力与关键能力协同培养的工作手册教材;同时进行电子产品PCB设计、制造一体化流程的在线课程资源建设,为提升学生综合电子技能和素养提供方便。2020年完成课程数字化资源建设,通过将知识点和技能点微课视频纳入课程框架,并在课程中不断融入新技术新工艺、热点思政案例,形成有机整体的在线开放课程。

课程平台具有通知发布、视频讲解、作业、测验、考核、论坛交流、在线答疑和评价建议等环节,教学活动完整;教学视频以知识点为单元将教学内容拆解录制,可自由安排学习时间;知识点均以课件讲授、动画、实操录像等方式展示,促进学员理解;作业、阶段测试和期末考试多种考核方式辅助学员及时了解自己的学习状况;在线答疑、论坛等交互单元可为学员及时答疑解惑。学生通过在线课程学习,可以有效弥补课堂讲授时长不够、有效解决操作练习疑难问题。该课程2022年10月立项为省级精品在线课程。

2.2.2 递进式混合教学, 注重学生能力成长

课程采用成果导向的工程训练模式,将整个课程内容划分了七个单元,前六单元为基础入门和专项训练阶段,第七单元为综合项目训练阶段。每一个单元按照任务驱动方式开展教学,通过“线上-课堂-实践”的模式,按照岗位工作流程从入门基础、专项训练、综合训练层层递进。各单元训练按照“知、明、拓、验”四步教学流程,同时在设计制作中,渗透符合工程实际和设计规范的工程意识和工匠精神,提升学生专业实践能力。图2展示了某单元的四步教学流程

图2 四阶递进的 “PCB基础知识和设计软件” 基础入门教学

综合项目训练阶段,工程导向有效提升学生专业技能和素养水平。首先,加强原理图分析,培养设计思维和分析能力。掌握电路的相关理论知识,学会分析设计要求,分析电路原理真正看懂原理图,才能够在PCB设计时很好的完成印刷电路板的布局和布线,实现整个PCB版图的设计与制作。其次,加强规范PCB板电气特性及制作工艺,满足可制造性设计。在教学过程中遵循电气特性及制作工艺要求,着重强调软件使用时涉及到的相关技术规范及工艺制作要求,避免实际生产的PCB板无法正常使用的现象。再次,择优选择PCB作品打板制作,满足学生成就感。通过项目实战和实际作品进一步体验PCB设计、制造、调试、测试的全过程,在此过程得到全面的锻炼和成长[4-7]。

2.3 拓展工程实训途径,工程实战育规范

拓展多种工程实践途径有利于学生将课程学习与具体的实物应用相联系,工程实战进一步促使学生养成遵循PCB可制造设计规范的习惯。

2.3.1 选拔实践创新小组以赛促学

学校在第二课堂通过专业教师指导学生开展综合训练项目,促进学生高效学习。同时选拔学生参加集成电路开发与应用技能大赛、蓝桥杯单片机设计与开发、EDA设计与开发大赛,进一步强化激发学生的专业学习热情。项目训练和竞赛需要进行电路设计制作,PCB设计中最耗时间的是原理图库和封装库设计,其设计过程烦琐且存在重复性设计问题,另外物料采购、焊接、调试都是可制造性设计重要环节。通过建立校内专业社团,通过新老学员帮带建立学习共同体,通过教师指导、学员作品项目学习,将能大幅度提高PCB设计效率。

2.3.2 依托创新实践项目以练促学

课程团队在近年来申请了多项电路设计制作的省级大学生创新训练项目和院级项目。通过申请项目,让学生有机会将电路设计制作与自己的创意想法相结合,锻炼学生的团队合作意识。如2019年,课程组教师指导的省级大学生创新训练项目“动态显示屏PCB设计制作”(见图3),基于单片机控制、电机控制、视觉暂留原理设计与制作动态显示屏幕。该项目将大学生的创新思维融于电子线路制图与制版课程的综合创新训练中,同时考虑电子产品制作调试的便捷性、易用性,有效通过实践育规范[4-5]。

图3 “动态显示屏PCB设计制作” 综合训练项目

课程教学团队通过专业社团、第二课堂等多种方式注重学生技能培养,通过科研、竞赛、项目反哺课程教学,为课程建设积累了大量的实践经验和案例素材。

2.3.3 探索校企联合培养人才路径

引入企业机制开展实践教学改革,注重在设计制作中渗透符合工程实际和设计规范的工程意识和工匠精神;加强原理图分析,培养设计思维和分析能力;加强规范PCB板电气特性及制作工艺,满足可制造性设计。

课程团队联合本地企业江苏创新融网络科技股份有限公司,制订企业内PCB、PCBA工程师的培养方案,建立企业导师指导考核机制,完善学生理论学习和工程实训的评分标准,让学生参与工业现场,为其职业选择与发展提供一个良好平台,有助于学生从事电子设计辅助工作,提升职业岗位技术层次。不少毕业生从事电子产品技术辅助研发岗位,负责电子线路制图与制版及后续调试、测试,进行产品定型前的设计改良,得到用人单位的一致好评。

3 结语

本课程作为重要的职业岗位能力课程,紧密对接市场岗位对可制造性设计标准及工艺规范提出的较高要求,在教学设计实施中无痕渗透可制造性设计规范、工匠精神,通过混合式教学融规范、拓展工程实训育规范,有效提升学生PCB设计可制造性规范意识,取得了较好的教学效果。