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电子工艺实训考核装置的设计与应用

发布时间:2018-05-22      点击次数:2522

电子工艺实习课程的目的和任务在于让学生学习电子工艺基本的焊接、安装技术,通过电子元器件和电子材料组装和调试产品电路,体验整个生产工艺流程,从中学会相关电路板设计及制作方法,熟悉岗位职责,增强创新意识,为今后从事有关专业奠定实践基础。

1、电子工艺课程及其考核现状

电子工艺实习是工艺性和实践性相结合的基础课,国内高等院校电子工艺课程普遍的做法,是要求学生掌握电烙铁和恒温焊台对通孔直插元器件的焊接与拆焊,了解波峰焊自动焊接流水线工艺流程以及表面安装技术操作技能流程。有条件的高校则购置了小型SMT设备和手动焊膏印刷机,让学生在实践中了解新技术、新工艺,熟悉SMT印刷板再流焊工艺流程,掌握手工贴装等操作技能。但随着电子工艺技术的发展,各种手持便携设备和可穿戴设备等广泛应用,电子产品变得越来越小,元器件安装密度越来越高,贴片元器件的手工焊接及拆焊成为操作者的基本要求,将SMT引入实践教学是我国高等教育面向实际工程训练的需要,但目前高校电子工艺课程对这方面的实训偏少甚至缺失。

对电子工艺课程的考核主要是分散对每个教学环节考核和实习报告综合考核,然后根据每部分的权重计算出学生实习zui终成绩,或者采用普通试卷的理论考试的考核办法。存在的主要问题是学生参加电子工艺实习前后对电子工艺技能掌握的情况无法准确衡量,学生在电子工艺技能哪些方面存在缺陷无法直接体现。学生只有通过科学的电子工艺考核得知自己存在的知识盲区,有针对性地提高自己的短板,才能充分发挥学生后续参与科技比赛活动的积极性。

2、电子工艺考核平台的设计

本文从近7年承担电子工艺课程的教学工作中,在实践教学积累以及课程考核尝试的基础上,设计了一套完整的通用的电子工艺考核平台,对学生掌握电子工艺技能水平进行考核。设计的电子工艺考核平台主要包含一块考核电路板,一份考核试题以及试题涉及的电子元器件等。

在考核电路板上面设计有通孔直插元器件(THT)和表面贴装元器件(SMT)的安装位置,能够在考核电路板上实现若干种典型电子产品电路的安装与调试; 考核试题的命题主要包含一个典型电子产品的电路原理图,以及电路关键测试点的数据、波形记录表格等; 而提供的试题考核所需的电子元器件,包含了试题规定的元器件,以及一些额外的参数相近的或封装不同的甚至是损坏的元器件。
根据学生对电子工艺考核知识点的综合掌握程度,为了能够对电子工艺各个知识点进行全面的考核,同时考虑到不同学校实际操作环境的限制,保证考核的顺利开展,对电子工艺考核平台设计的重心集中在考核电路板的设计上,考核电路板的顶层如图1 所示,底层如图2 所示。


图1 考核电路板顶层

考核电路板包含32 个公制2012 封装(对应英制0805 封装,括号内为英制,下同) ,并向下兼容1608( 0603) 封装以及1005 ( 0402) 封装贴片元器件,如电阻、电容、二极管和LED 等。电路板还包含8个SOT-23封装,主要用于安装三极管等元器件。这个区域可以很好地考核学生焊接贴片分立元器件的水平和技巧。考核电路板采用双面板结构,使通孔焊盘更加牢靠,避免焊接或拆焊元器件时导致通孔焊盘脱落。电路板长宽尺寸为10cm×10cm,能够很好地控制成本。电路板通孔焊接区域任意两个焊盘之间的孔距是标准的2.54mm(100mil)间距,孔径是1.0mm(40mil),能兼容绝大部分通孔直插元器件引脚大小与间距,如常用的双列直插集成电路芯片、电阻、电容、二极管、发光二极管和按键等。


图2 考核电路板底层

考核电路板包含两个SOP20封装,相邻任意两个引脚之间的间距为1.27mm(50mil) ,并且每个引脚对应的焊盘都经过加长等特殊处理,使得相对的两个引脚之间的宽窄能够兼容SOP04 ~ SOP20封装的贴片元器件,大大地拓展了考核电路板对SOP 贴片封装集成电路芯片各种引脚数的支持。

同时,两个SOP20封装与双列直插封装40引脚(DIP40)共用引脚及区域,充分地利用电路板空间。DIP40封装引脚间距为2.54mm(100mil) ,可以安装STC89C52RC 和STC15F2K60S2 等双列直插封装的单片机芯片。整块考核电路板包含: 一定面积的通用标准间距的通孔焊盘,通孔从考核电路板的顶层贯穿至底层,用于安装各种通孔直插封装元器件; 一定数量通用标准的贴片焊盘,用于安装各种贴片封装元器件。另外在电路板的顶层空余位置,还设计预留了一部分空闲的贴片焊盘,用于焊接和拆焊练习。

3、电子工艺考核平台的应用

3. 1 全部直插元器件考核方式

该方式配套的电子元器件全部都是通孔直插封装的元器件。通过这种方式可以对学生是否掌握直插元器件的识别与检测,是否掌握普通通孔焊盘的手工焊接技术与拆焊技术进行相关考核。用这种方式对学生进行考核基本等同于普通的板焊接电路。

3. 2 全部贴片元器件考核方式

该方式配套的电子元器件主要是以SOP封装、SOT-23封装和0805封装的贴片元器件为主。通过该方式可以对学生是否掌握贴片封装电子元器件的识别与检测,对学生是否掌握恒温烙铁及热风枪对贴片元器件的手工焊接技术与拆焊技术进行相关考核。

3. 3 直插和贴片元器件混合考核方式

该方式配套的电子元器件同时包含通孔直插封装和表面贴片封装的元器件,能够全面考核学生电烙铁、恒温烙铁以及热风枪的手工焊接技术与拆焊技术,各种封装的电子元器件识别、检测与焊接等; 能够充分、客观地评定学生掌握电子工艺的情况; 能够暴露学生在电子工艺操作技能中的薄弱环节,通过考核对学习过程进行反馈,让学生有针对性地提高某一项动手能力,促进教与学之间互动效果的改善。

应用考核电路板搭接的一个数字音频控制器,如图3所示。电路主要由SOP20封装的STC11F04E单片机、SOP20封装的PT2315数字音频控制芯片、三位一体共阳数码管以及数字编码器组成。整个电路包含了多种不同封装的元器件。实践证明,考核电路板能够很好地实现同时存在直插和贴片元器件的电路的制作和考核。


图3 数字音频控制器实物图

4、电子工艺考核知识点及作用

电子工艺课程综合了多方面的知识,是一个循序渐进的过程,对电子工艺的全面考核,需要落实到各个知识点的考核。

4. 1 考核电子元器件识别与检测

考核试题除了提供所需的元器件外,还额外增加了一些参数相近的、外形类似的甚至已损坏的元器件。要求学生能够通过仪器仪表检测元器件好坏并找出所需要用到的元器件,从而衡量学生对元器件识别与检测的掌握程度。

4. 2 考核原理图的读图与布局布线图的转化

考核学生经过分析和读图,能分解电路并看懂一般的电路原理图,且能转化成布局布线图,否则难以将电路原理图焊接成实物电路板。除了常规的外观整齐和均匀外,主要考查元件是否交叉或重叠,元件的管脚正误,连线正误或是否有遗漏,外接元器件的位置合理性等,同时要兼顾单面板布线方面尽量不交叉的要求。

4. 3 考核焊接技术与拆焊技术

要求学生同时熟练掌握普通电烙铁、恒温焊台、热风枪等焊接工具对各种通孔直插元器件和贴片元器件进行手工焊接与拆焊。现代电子技术大量表面贴装元器件的广泛应用,学生除了了解回流焊机一整套的自动化生产工艺外,还必须熟练做到手工焊锡适中,焊点表面光滑、明亮、无针孔,避免焊点裂纹、焊接毛刺、元器件位置偏移等,甚至还需要掌握BGA 等封装元器件的焊接与拆焊。

4. 4 考核电子产品的安装和调整

由于电子元器件参数的分散性、装配焊接工艺的影响,焊接安装完毕的电子产品不一定完全达到设计要求的性能指标,无法工作在*状态。这时需要通过接入电源和信号,使电路在反复运行中暴露问题,从而解决问题使其达到预期的功能和技术指标,这就是电子电路调整的考核内容。

4. 5 考核常用电子仪器仪表对电路的测试

焊接完的电路板需要进行关键点波形或电压、电流等数据的测量,要求学生熟练掌握万用表、信号发生器、示波器、毫伏表等常用电子仪器仪表,对电路的各项技术指标和功能进行测量和试验,并同设计性能指标进行比较, 以确定电路是否合格。

4. 6 考核电路故障分析与排除

焊接完的电路板可能存在一些问题,比如虚焊、漏焊、短路、少焊、错焊和多焊等。考核通过查找、分析和排除故障,要求学生通过视觉观察、听觉分辨、触觉感受等直观检查法缩小故障范围;通过测量电阻、电压、电流和波形等进行局部电路判断,甚至对可疑元器件采用替代法进行处理。采用逐级推进的方式,寻找故障源,排除故障直至电路正常工作为止。通过考核对每一个知识点进行评定打分,根据权重计算得出学生实习zui终成绩,能更加公平地评价学生学习的成果。考核重点应以完成项目的质量为依据,考核学生对所学知识和能力的综合掌握、运用情况,以及对学习过程知识和能力的考核。

教师也可根据学生的情况进一步对教学内容进行改进,实现学生与教师的良性互动,达到教学相长的目的。事实证明,熟练掌握贴片元器件的手工焊接及拆焊相关操作技能并通过考核的电子专业学生,在后续参加各种科技比赛中,在元器件焊接和选型方面明显表现出体积小、精度高等操作技巧;在PCB 设计过程中明显表现出更细致,更的设计理念; 在设计制作出来的电子产品样品试用中明显表现出更稳定,更实用的特点。

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