可制造性设计规范融入高职院校“电子线路制图与制版”课程改革实践

2024-03-09顾菊芬

镇江高专学报 2024年1期

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)

一般印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)设计岗位职责： PCB元件标准封装的建立、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设计;负责Printed Circuit Board Assembly(PCBA)试制过程中输出试产报告,改善PCB设计问题;负责对PCB制造工艺、电子装联工艺编写相关PCB设计规范;编制PCBA工艺文件,为PCBA厂解决生产问题;输出相关生产文件,编制品质体系相关文件。一般PCB设计制造相关岗位对PCB可制造性设计标准及工艺规范要求较高[1]。“电子线路制图与制版”课程教学时要渗入PCB可制造性设计规范,使学生明确电路设计、PCB工艺规范紧密关联,树立规范意识,提高实践能力[2-3]。

1 成果导向教学设计,“五维协同”渗透规范

1.1 渗透可制造性设计规范,修订教学目标

国际电工委员会(IEC)制定了印制板设计、制造和电子装联技术标准、规范100 余项,涉及印制板及其组装件设计、材料、各类产品、制造技术及测试方法、质量保证等,形成配套体系。目前最具影响并被许多国家采用的是美国电子电路封装协会的标准(即IPC标准)。其中PCB及其安装技术的标准已形成完整体系,包括设计、制造和安装工艺、材料、各类产品、试验方法、质量保证等,配套性好,可操作性强,标准修订速度快,内容先进,满足元器件、印制板及安装技术发展需要[1-3]。

“电子线路制图与制版”是培养电子产品PCB设计技术人才的重要课程,具有很强的技术性、专业性、实践性、综合性,以电路应用为基础,遵循行业规范,培养学生电子线路制图与制版的能力。课程开设于第3学期,学生已学习“模拟电子”“数字电子技术”课程,具备一般的识图分析能力,但不熟悉PCB生产制造行业规范、生产制造设备。在教学中可围绕电路设计进行软件操作、PCB设计,完成成果文件输出,融入可制造性设计规范。

将PCB可制造性设计融入项目案例和实践教学,在满足产品功能和性能可实现的前提下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。

教师要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,缩短开发周期,并通过学生工程制版测试反馈及时优化训练。

1.2 成果导向构建“理实一体”教学体系

融入可制造性设计规范的“电子线路制图与制版”课程模块如图1所示。引入企业真实案例,由浅入深、由简到繁,通过项目引领、任务驱动组织内容,融“教、学、做”于一体,包括练习、产品仿制、自主设计3个阶段,利用放大电路、插卡音箱、电子沙漏等电子产品开展工程训练,无痕融入行业规范、设计要求等,提高学生综合工程素养。

图1 融入可制造性设计规范的课程模块

1.3 “五维协同”渗透行业规范

融入行业规范,形成协同效应,从技术要求角度强化可制造性设计理念,“价值塑造、知识传授、能力培养、教研结合、创新实践”五维协同,无痕渗透科学思维、工匠精神、创造精神。注重学生创新能力培养,通过科研、竞赛、项目反哺课程教学,结合“岗课赛证”要求,强化成果导向理念,采用CDIO(Conceive,Design,Implement,Operate,即构思、设计、实现、动作)工程教育模式进行课程建设。通过专业社团、第二课堂等积累实践经验和收集案例素材。

2 实施混合式教学,线上线下融规范

2.1 开发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必不可少,在线开放课程和配套的工作手册教材尤为重要,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。结合企业岗位和智能硬件安装调试“1+X”证书制度要求,开发专业能力与关键能力协同培养的工作手册教材,遵循系统颗粒化、颗粒系统化原则进行课程数字化资源建设,将自制知识点和技能点微课视频纳入课程框架,形成在线开放课程,并不断融入新技术、新工艺,实施单项技能考证认定,培养懂规范、精技能的现代电子产品设计辅助技术人员。该课程于2022年10月立项为省级精品在线课程。

学生通过在线开放课程平台开展学习,解决操作练习疑难问题。线上学习注重知识型结果评价和过程考核,线下项目注重能力评价和素质评价,打通课程监控、大数据分析等平台,实时捕捉教学行为大数据,构建课程、教师、学生量化的过程评价指标,依托在线开放课程平台教学数据,实现过程评价。

2.2 递进式混合教学, 注重能力培养

采用成果导向的工程训练模式,按照工作流程划分7个单元,前6个单元为基础入门和专项训练阶段,第7单元为综合项目训练阶段。基础入门和专项训练阶段,利用在线课程开展混合式教学。在线开放课程平台有通知发布、视频讲解、作业、测验、考核、论坛交流、在线答疑、评价建议等模块。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;知识点以课件、动画、实操录像等方式展示,促进学生理解;作业、阶段测试、期末考试等多种考核方式辅助学生及时了解学习状况;在线答疑、论坛交流等交互单元可及时为学生答疑解惑。训练遵循学生认知规律,按照“知、明、拓、验”四阶递进,如图2所示。

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,首先,强化原理图分析,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、电路原理图,才能很好地完成PCB的布局和布线,实现PCB版图设计与制作。其次,规范PCB电气特性及制作工艺,满足可制造性设计要求。强调软件使用时涉及的相关技术规范及工艺制作要求,避免出现实际生产的PCB无法正常使用的现象。最后,择优选择PCB作品打板制作。学生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,得以全面锻炼[4-6]。

3 拓展工程实训途径,工程实战育规范

探寻多种工程实践途径,助力学生学以致用,强化PCB可制造设计规范。

3.1 选拔实践创新小组,以赛促学

以第二课堂、专业社团兴趣班的模式引导学生开展综合训练项目,以项目载体、成果导向促进高效学习。选拔学生参加集成电路开发与应用技能大赛、“蓝桥杯”单片机设计与开发大赛、EDA设计与开发大赛,激发专业学习热情。项目训练和竞赛中需要进行电路设计制作,PCB设计中的原理图库和封装库设计难度系数不高但耗时,其设计过程繁琐且存在重复性设计问题,物料采购、焊接、调试是重要环节,可以建立校内专业社团,形成学习共同体,维护已有的原理图库和封装库,还可以通过教师指导、项目学习提高PCB设计效率,借助嘉立创PCBA平台快速提供元器件选型和PCBA打版制作,通过实物调试反馈优化PCB设计。

3.2 依托创新实践项目,以练促学

依托创新实践项目,引导学生融合电路设计制作与创意想法,厘清工程实践思路,强化团队合作意识。如图3所示,2019年指导的省级大学生创新训练项目“动态显示屏PCB设计制作”,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,将大学生的创新思维融入“电子线路制图与制版”课程综合创新训练,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

3.3 校企联合培养人才

课程教学团队联合江苏创新融网络科技股份有限公司制订PCB和PCBA工程师培养方案,建立企业导师指导考核机制,完善理论学习和工程实训的评分标准,让学生参与工业现场,助力学生职业选择与发展。不少毕业生在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,赢得用人单位一致好评。