引入增材制造技術(shù)的電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)

嚴(yán)小黑 黃設(shè)新 房慧

摘? 要 電子工藝實(shí)訓(xùn)是電子、通信相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要實(shí)踐課程，能讓學(xué)生掌握電路的設(shè)計(jì)與制作。針對(duì)目前電子工藝實(shí)訓(xùn)仍采用傳統(tǒng)印制電路板工藝，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)電路制作新工藝（如表面貼裝工藝、增材制造技術(shù)）不熟悉的問(wèn)題，提出將新型增材制造技術(shù)引入電子工藝實(shí)訓(xùn)課程中。傳統(tǒng)印制電路板工藝與新型增材制造技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，能讓學(xué)生在掌握傳統(tǒng)電路制作工藝的同時(shí)，彌補(bǔ)表面貼裝工藝環(huán)節(jié)的缺失，掌握新型電路制作技術(shù)，提升創(chuàng)作空間。

關(guān)鍵詞 實(shí)訓(xùn)教學(xué);電路制作;增材制造技術(shù);電子工藝實(shí)訓(xùn)課程;液態(tài)金屬打印技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）04-0132-03

Introduction of Additive Manufacturing Technology in Electro-nic Technology Training//YAN Xiaohei， HUANG Shexin， FANG Hui

Abstract Electronic technology training is an important practical course for electronic and communication related majors， which ena-bles students to master the design and production of circuits. Aiming?at the problem that students are not familiar with the new technologyof circuit making （such as surface mounting technology and additive?manufacturing technology） because the traditional PCB technology is still used in the current electronic technology training， this paper proposes to introduce the new additive manufacturing technology into the electronic technology training course. The organic combina-tion of traditional PCB technology and new additive manufacturing technology can help students master the traditional circuit manufac-turing technology， make up for the lack of surface mounting techno-logy， master the new circuit manufacturing technology， and improve the creation space of students.

Key words practical training teaching; circuit making; additive manufacturing technology; electronic process training course; liquid metal printing technology

0 引言

電子工藝實(shí)訓(xùn)課程是電子、通信相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要實(shí)踐課程，著重培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力和實(shí)際動(dòng)手制作能力。該課程運(yùn)用電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)成果，進(jìn)行從簡(jiǎn)單到復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)與制作，并在電子生產(chǎn)流水線上進(jìn)行實(shí)際焊接及裝配、調(diào)試，完成理論與生產(chǎn)實(shí)際的有效結(jié)合[1]。

1 電子工藝實(shí)訓(xùn)課程現(xiàn)狀

目前，大部分高校的電子工藝實(shí)訓(xùn)課程采用的流程為：基本元器件認(rèn)知→焊接工藝訓(xùn)練→實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選取并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)→電路板制作→元器件焊接安裝→整體電路調(diào)試[2]。其中電路板制作主要采用傳統(tǒng)的印制電路板工藝，具體使用較多的是熱轉(zhuǎn)印法，該法對(duì)批量生產(chǎn)相同電路板效率較高，因此在生產(chǎn)上被廣泛使用。讓學(xué)生掌握此電路板制作方法很有必要，但此法工序較為復(fù)雜，學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)選擇的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目各不相同，電路板亦不同，導(dǎo)致制作耗時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)，若用此法進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目制作，會(huì)有諸多不便。除此以外，在元器件焊接安裝環(huán)節(jié)，由于電路板制作工藝的限制，導(dǎo)致此環(huán)節(jié)均采用針腳式的元器件，而如今的集成電路主要采用貼片式的元器件，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中缺乏對(duì)元器件貼片安裝工藝的實(shí)踐環(huán)節(jié)。基于此，改變現(xiàn)行的實(shí)訓(xùn)模式，在其中增加新工藝、新技術(shù)勢(shì)在必行。

2 引入增材制造技術(shù)的電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式

引入增材制造技術(shù)的電子工藝實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式是指在原有實(shí)訓(xùn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加利用增材制造技術(shù)制作電路的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的印制電路板的工藝結(jié)合，互為補(bǔ)充。本文主要通過(guò)實(shí)例介紹增材制造技術(shù)制作電路的基本流程。

步驟一：利用EDA軟件進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)與仿真，如圖1所示。

步驟二：利用EDA軟件生成布線設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。

步驟三：利用液態(tài)金屬打印機(jī)在基底膠片上打印電路，如圖3所示。液態(tài)金屬打印機(jī)使用北京夢(mèng)之墨科技有限公司生產(chǎn)的MZMDP-1電子電路打印機(jī)，打印材料為GaSnIn基液態(tài)金屬導(dǎo)電墨水（該材料熔點(diǎn)較低，但高于室溫，能在室溫下快速自然凝固）。電路打印完成后，對(duì)照電子版電路，用液態(tài)金屬筆修補(bǔ)缺陷，修補(bǔ)后用萬(wàn)用表測(cè)試液態(tài)金屬導(dǎo)線導(dǎo)通情況。

步驟四：貼片及包引腳，如圖4所示。區(qū)分器件放置方向，用鑷子夾起器件兩側(cè)，將器件從正上方放在準(zhǔn)確的位置，之后用液態(tài)金屬手寫(xiě)筆在電路和元器件引腳處書(shū)寫(xiě)，以確保電路連接暢通。

步驟五：調(diào)試及封裝，如圖5所示。接入電源板，閉合電源開(kāi)關(guān)，對(duì)電路的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試。最后將完成后的電路放置在水平桌面上，準(zhǔn)備適量封裝膠，從電路上方倒膠，逐步覆蓋電路區(qū)域，完成電路封裝。

與傳統(tǒng)電路制作技術(shù)相比，分析基于增材制造技術(shù)的液態(tài)金屬電子直接打印技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1）優(yōu)點(diǎn)。對(duì)單個(gè)電路制作，液態(tài)金屬電子直接打印技術(shù)能根據(jù)電路布線圖直接在基底膠片上打印電路，相比傳統(tǒng)電路制作技術(shù)（如熱轉(zhuǎn)印法）而言，減少很多環(huán)節(jié)，電路制作更快，且制作過(guò)程無(wú)污染，比較適合于電路設(shè)計(jì)研發(fā)階段。而在電子工藝實(shí)訓(xùn)及學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐中往往屬于這種情況，因此，液態(tài)金屬電子直接打印技術(shù)更適合于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)與創(chuàng)新活動(dòng)。

2）缺點(diǎn)。若一個(gè)電路從研發(fā)階段轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)，則液態(tài)金屬電子直接打印技術(shù)無(wú)法滿足需要，此時(shí)仍然需要采用傳統(tǒng)電路制作技術(shù)（如熱轉(zhuǎn)印法）進(jìn)行電路制作。因此，學(xué)生在掌握電路制作新技術(shù)的同時(shí)，仍然需要掌握傳統(tǒng)電路制作技術(shù)。

3 引入增材制造技術(shù)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生能力的作用

彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下表面貼裝工藝環(huán)節(jié)缺失的不足? 隨著電子產(chǎn)品向著小型化、薄型化發(fā)展，電子元器件也逐漸由最早期的電子管、晶體管朝目前的大規(guī)模集成電路方向發(fā)

展[3]。尤其是現(xiàn)在常用的表面安裝元器件，具有尺寸小、重量輕、無(wú)引線或者引線很短、形狀簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)可靠和標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，表面安裝技術(shù)（SMT）也因此成為現(xiàn)代電子生產(chǎn)過(guò)程中的主流工藝。而在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，由于設(shè)備及工藝的限制，SMT這一先進(jìn)生產(chǎn)工藝很難讓學(xué)生親身實(shí)踐。在實(shí)訓(xùn)中引入液態(tài)金屬打印技術(shù)，通過(guò)液態(tài)金屬打印機(jī)制造的電路板，學(xué)生可手動(dòng)將貼片元件安裝在電路中，很好地模擬了SMT的生產(chǎn)工藝，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下表面貼裝工藝環(huán)節(jié)缺失的不足。

讓學(xué)生充分接觸電路制作新技術(shù)、新方法? 當(dāng)今社會(huì)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)階段理應(yīng)跟上社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，還要更廣泛地接觸新的技術(shù)及潮流，不拘泥于傳統(tǒng)思想的束縛，展現(xiàn)更多的創(chuàng)新性思維。在實(shí)訓(xùn)中訓(xùn)練電路板傳統(tǒng)工藝的同時(shí)，引入一種新的基于增材制造技術(shù)的電路制作方法，讓學(xué)生可以充分接觸電路制作新技術(shù)、新方法。

提升學(xué)生的創(chuàng)作空間? 液態(tài)金屬打印技術(shù)的引入，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中電路板的快速打印制作，操作過(guò)程簡(jiǎn)單無(wú)污染，學(xué)生可以根據(jù)任務(wù)要求自行設(shè)計(jì)電路并快速完成功能驗(yàn)證，更大程度實(shí)現(xiàn)了課程的價(jià)值，同時(shí)激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣[4]。

讓學(xué)生了解柔性電路的設(shè)計(jì)制造? 隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，柔性電路板由于其輕、薄、短、小的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多地被應(yīng)用于PC及周邊產(chǎn)品、汽車(chē)電子、醫(yī)療器械、通信及消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，近些年來(lái)涌現(xiàn)的所有高科技電子產(chǎn)品都采用了柔性電路板。傳統(tǒng)的電子制造實(shí)踐中，很難有學(xué)生自主完成柔性電路的設(shè)計(jì)制造。在實(shí)訓(xùn)中，由于液態(tài)金屬打印技術(shù)的引入，根據(jù)柔性要求的不同，選擇不同的基材，學(xué)生可快速實(shí)現(xiàn)柔性電路板的制作。學(xué)生可以更關(guān)注電路功能的定義及電路圖的設(shè)計(jì)，最大限度地發(fā)揮自己的想象力，設(shè)計(jì)和創(chuàng)造自己的電子產(chǎn)品，并將自己的創(chuàng)意快速付諸實(shí)踐。

4 結(jié)語(yǔ)

在原有的電子工藝實(shí)訓(xùn)中引入增材制造技術(shù)制作電路的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，能讓學(xué)生掌握電路板傳統(tǒng)工藝的同時(shí)，掌握電路制作新技術(shù)、新方法，既可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)電路制作工藝下表面貼裝工藝環(huán)節(jié)缺失的不足，更可以開(kāi)展柔性電路板的設(shè)計(jì)制造，提升創(chuàng)作空間?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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