顧菊芬

(蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程系 江蘇 蘇州:215200)

0 引言

PCB(Printed Circuit Board,印制電路板)是重要的電子部件,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣相互連接的載體。PCB設(shè)計(jì)借助EDA軟件來完成電路版圖的設(shè)計(jì),是電子產(chǎn)品開發(fā)流程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著智能制造工廠的不斷發(fā)展,PCBA(Printed Circuit Board Assembly,印制電路板組裝)加工技術(shù)得到普及,PCBA依賴自動(dòng)化和智能化設(shè)備將電子元器件焊接到印制電路板上,形成完整的電子產(chǎn)品功能部件,極大解放了人力,提高了生產(chǎn)效率,同時(shí)對(duì)PCB可制造性設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1-3]。

國際電工委員會(huì)(IEC)制定了有關(guān)印制板設(shè)計(jì)、制造和電子裝聯(lián)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范100余項(xiàng),涉及到印制板及其組裝件設(shè)計(jì)、材料、各類型產(chǎn)品、制造技術(shù)及測試方法和質(zhì)量保證等方面,構(gòu)成一個(gè)相互配套的體系,是重要的PCB可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范[1-3]。目前在國際上最有影響并被許多國家采用的標(biāo)準(zhǔn),主要是美國電子電路封裝協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)(即IPC標(biāo)準(zhǔn))。在IPC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)PCB及其安裝技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)已形成了完整的體系,包括設(shè)計(jì)、制造和安裝工藝、材料、各類產(chǎn)品、試驗(yàn)方法和質(zhì)量保證等6個(gè)方面,該體系的標(biāo)準(zhǔn)相互配套性好、可操作性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)修訂速度快、內(nèi)容先進(jìn),適合于元器件、印制板及安裝技術(shù)發(fā)展的需要。

《電子線路制圖與制版》是高職院校電子信息專業(yè)培養(yǎng)具備適度理論知識(shí)和較強(qiáng)實(shí)踐能力的PCB設(shè)計(jì)人才的重要課程。筆者在課程教學(xué)時(shí),探索將PCB可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范融入教學(xué)實(shí)踐,使學(xué)生樹立了PCB設(shè)計(jì)的可制造性規(guī)范意識(shí),提高了學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和就業(yè)競爭力。

1 PCB可制造性設(shè)計(jì)課程改革必要性

課題組前期調(diào)研了PCB行業(yè)企業(yè)和專業(yè)招聘網(wǎng)站,了解到電子類專業(yè)技術(shù)人員從事的PCB設(shè)計(jì)或Layout崗位職責(zé)一般包括:負(fù)責(zé)PCB元件標(biāo)準(zhǔn)封裝的建立以及元件庫的創(chuàng)建和維護(hù);根據(jù)結(jié)構(gòu)原理圖進(jìn)行PCB布局,獨(dú)立完成符合硬件、結(jié)構(gòu)要求的PCB設(shè)計(jì)及優(yōu)化;負(fù)責(zé)PCB制版過程工程確認(rèn),配合工藝工程師優(yōu)化,改善設(shè)計(jì);負(fù)責(zé)PCBA試制過程中輸出試產(chǎn)報(bào)告,并改善PCB設(shè)計(jì)問題;負(fù)責(zé)對(duì)PCB制造工藝以及電子裝聯(lián)工藝編寫相關(guān)PCB設(shè)計(jì)規(guī)范;編制PCBA工藝文件,與PCBA廠解決生產(chǎn)問題;輸出相關(guān)的生產(chǎn)文件,編制品質(zhì)體系相關(guān)文件。

對(duì)于行業(yè)企業(yè)而言,一般PCB設(shè)計(jì)制造相關(guān)崗位要求對(duì)PCB可制造性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及工藝規(guī)范都有較高的要求[1]。這就要求在《電子線路制圖與制版》課程教學(xué)時(shí)滲入PCB可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范、工匠精神,使學(xué)生明確電路設(shè)計(jì)與PCB工藝規(guī)范緊密關(guān)聯(lián),樹立PCB設(shè)計(jì)的可制造性規(guī)范意識(shí)[2,3]。

PCB設(shè)計(jì)或Layout設(shè)計(jì)作為硬件工程師的典型崗位,需要工程實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)積累和沉淀,技術(shù)成熟周期相對(duì)較長,在學(xué)習(xí)課程時(shí)滲透可制造性規(guī)范設(shè)計(jì),對(duì)于未來職業(yè)發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。PCB設(shè)計(jì)在滿足產(chǎn)品功能和性能可實(shí)現(xiàn)的前提下,PCB 的可制造性設(shè)計(jì)應(yīng)至少考慮如下基本問題:(1)自動(dòng)化生產(chǎn)所需的工藝傳送邊、定位孔、光學(xué)定位符號(hào)。(2)與生產(chǎn)效率有關(guān)的拼板。(3)與焊接合格率有關(guān)的元件封裝選型、基板材質(zhì)選擇、組裝方式、元件布局、焊盤設(shè)計(jì)、阻焊層設(shè)計(jì)。(4)與檢查、維修、測試有關(guān)的元器件間距、測試焊盤設(shè)計(jì)。(5)與PCB制造有關(guān)的導(dǎo)通孔和元件孔徑設(shè)計(jì)、焊盤環(huán)寬設(shè)計(jì)、隔離環(huán)寬設(shè)計(jì)、線寬和線距設(shè)計(jì)。(6)與裝配、調(diào)試、接線有關(guān)的絲印或腐蝕字符。(7)與焊接、螺裝、鉚接工藝有關(guān)的孔徑、安裝空間。

我院《電子線路制圖與制版》課程開設(shè)于大二第一學(xué)期,學(xué)生已學(xué)習(xí)過模擬電子、數(shù)字電子技術(shù)課程,具備一般的識(shí)圖分析能力,但對(duì)PCB生產(chǎn)制造行業(yè)規(guī)范、生產(chǎn)制造設(shè)備不熟悉。針對(duì)以往課程教學(xué)只注重進(jìn)行軟件操作,教學(xué)目標(biāo)停留在PCB設(shè)計(jì)流程的軟件操作層次,課程組結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)和教學(xué)的實(shí)際情況,對(duì)課程進(jìn)行了改革,對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)和重構(gòu),將PCB 可制造性設(shè)計(jì)融入項(xiàng)目案例和實(shí)踐教學(xué),以電路應(yīng)用為基礎(chǔ),遵循行業(yè)規(guī)范,滲透精益求精的工匠精神,培養(yǎng)學(xué)生實(shí)現(xiàn)印制電路板從制圖到制版的能力。

2 可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范融入課程改革實(shí)施路徑

2.1 構(gòu)建“理實(shí)一體”的教學(xué)內(nèi)容體系

課題組引入多個(gè)企業(yè)真實(shí)案例,按照由淺入深、由簡單到復(fù)雜的編排順序,通過項(xiàng)目引領(lǐng)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)組織教學(xué)內(nèi)容,融“教、學(xué)、做”于一體,采用練習(xí)、產(chǎn)品仿制及自主設(shè)計(jì)三階段組織,從放大電路、插卡音箱、電子沙漏等電子產(chǎn)品開展工程訓(xùn)練,利用成果導(dǎo)向來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。融入可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范的《電子線路制圖與制板》課程教學(xué)內(nèi)容體系如圖1所示。

圖1 融入可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范的《電子線路制圖與制板》課程模塊

教學(xué)過程靈活運(yùn)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目教學(xué)法、分組討論等多種教學(xué)方法,夯實(shí)課堂教學(xué)“主渠道”,活躍課堂,提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,提升教學(xué)質(zhì)量;在教學(xué)過程中教師不僅僅圍繞電路設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件操作、PCB設(shè)計(jì)流程,完成成果文件輸出,更加注重融入可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

可制造性設(shè)計(jì)理念不僅是一種技術(shù)要求,更加體現(xiàn)了務(wù)實(shí)求真的科學(xué)思維、工匠精神、創(chuàng)造精神。教師在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)階段考慮制造因素,提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造一次成功率,降低成本、提高質(zhì)量、縮短開發(fā)周期,并通過學(xué)生工程制版測試反饋及調(diào)整優(yōu)化訓(xùn)練;注重培養(yǎng)學(xué)生基于PCB可制造性設(shè)計(jì)的綜合工程素養(yǎng)和技能,在此過程中無痕融入行業(yè)規(guī)范、設(shè)計(jì)要求等行業(yè)思政元素,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、工匠精神、品質(zhì)意識(shí)。

2.2 通過線上線下混合式教學(xué),滲透可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范

2.2.1 建設(shè)工作手冊教材和在線開放課程

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,在線教學(xué)和混合式教學(xué)成為了必不可少的教學(xué)形式,在線開放課程和配套的工作手冊教材建設(shè)顯得尤為重要,符合“以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心,以學(xué)習(xí)成果為中心”的教育理念。

為此,課程組結(jié)合企業(yè)崗位和智能硬件裝調(diào)1+X證書要求,開發(fā)了專業(yè)能力與關(guān)鍵能力協(xié)同培養(yǎng)的工作手冊教材;同時(shí)進(jìn)行電子產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)、制造一體化流程的在線課程資源建設(shè),為提升學(xué)生綜合電子技能和素養(yǎng)提供方便。2020年完成課程數(shù)字化資源建設(shè),通過將知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)微課視頻納入課程框架,并在課程中不斷融入新技術(shù)新工藝、熱點(diǎn)思政案例,形成有機(jī)整體的在線開放課程。

課程平臺(tái)具有通知發(fā)布、視頻講解、作業(yè)、測驗(yàn)、考核、論壇交流、在線答疑和評(píng)價(jià)建議等環(huán)節(jié),教學(xué)活動(dòng)完整;教學(xué)視頻以知識(shí)點(diǎn)為單元將教學(xué)內(nèi)容拆解錄制,可自由安排學(xué)習(xí)時(shí)間;知識(shí)點(diǎn)均以課件講授、動(dòng)畫、實(shí)操錄像等方式展示,促進(jìn)學(xué)員理解;作業(yè)、階段測試和期末考試多種考核方式輔助學(xué)員及時(shí)了解自己的學(xué)習(xí)狀況;在線答疑、論壇等交互單元可為學(xué)員及時(shí)答疑解惑。學(xué)生通過在線課程學(xué)習(xí),可以有效彌補(bǔ)課堂講授時(shí)長不夠、有效解決操作練習(xí)疑難問題。該課程2022年10月立項(xiàng)為省級(jí)精品在線課程。

2.2.2 遞進(jìn)式混合教學(xué), 注重學(xué)生能力成長

課程采用成果導(dǎo)向的工程訓(xùn)練模式,將整個(gè)課程內(nèi)容劃分了七個(gè)單元,前六單元為基礎(chǔ)入門和專項(xiàng)訓(xùn)練階段,第七單元為綜合項(xiàng)目訓(xùn)練階段。每一個(gè)單元按照任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式開展教學(xué),通過“線上-課堂-實(shí)踐”的模式,按照崗位工作流程從入門基礎(chǔ)、專項(xiàng)訓(xùn)練、綜合訓(xùn)練層層遞進(jìn)。各單元訓(xùn)練按照“知、明、拓、驗(yàn)”四步教學(xué)流程,同時(shí)在設(shè)計(jì)制作中,滲透符合工程實(shí)際和設(shè)計(jì)規(guī)范的工程意識(shí)和工匠精神,提升學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力。圖2展示了某單元的四步教學(xué)流程

圖2 四階遞進(jìn)的 “PCB基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)軟件” 基礎(chǔ)入門教學(xué)

綜合項(xiàng)目訓(xùn)練階段,工程導(dǎo)向有效提升學(xué)生專業(yè)技能和素養(yǎng)水平。首先,加強(qiáng)原理圖分析,培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維和分析能力。掌握電路的相關(guān)理論知識(shí),學(xué)會(huì)分析設(shè)計(jì)要求,分析電路原理真正看懂原理圖,才能夠在PCB設(shè)計(jì)時(shí)很好的完成印刷電路板的布局和布線,實(shí)現(xiàn)整個(gè)PCB版圖的設(shè)計(jì)與制作。其次,加強(qiáng)規(guī)范PCB板電氣特性及制作工藝,滿足可制造性設(shè)計(jì)。在教學(xué)過程中遵循電氣特性及制作工藝要求,著重強(qiáng)調(diào)軟件使用時(shí)涉及到的相關(guān)技術(shù)規(guī)范及工藝制作要求,避免實(shí)際生產(chǎn)的PCB板無法正常使用的現(xiàn)象。再次,擇優(yōu)選擇PCB作品打板制作,滿足學(xué)生成就感。通過項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)和實(shí)際作品進(jìn)一步體驗(yàn)PCB設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、測試的全過程,在此過程得到全面的鍛煉和成長[4-7]。

2.3 拓展工程實(shí)訓(xùn)途徑,工程實(shí)戰(zhàn)育規(guī)范

拓展多種工程實(shí)踐途徑有利于學(xué)生將課程學(xué)習(xí)與具體的實(shí)物應(yīng)用相聯(lián)系,工程實(shí)戰(zhàn)進(jìn)一步促使學(xué)生養(yǎng)成遵循PCB可制造設(shè)計(jì)規(guī)范的習(xí)慣。

2.3.1 選拔實(shí)踐創(chuàng)新小組以賽促學(xué)

學(xué)校在第二課堂通過專業(yè)教師指導(dǎo)學(xué)生開展綜合訓(xùn)練項(xiàng)目,促進(jìn)學(xué)生高效學(xué)習(xí)。同時(shí)選拔學(xué)生參加集成電路開發(fā)與應(yīng)用技能大賽、藍(lán)橋杯單片機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)、EDA設(shè)計(jì)與開發(fā)大賽,進(jìn)一步強(qiáng)化激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情。項(xiàng)目訓(xùn)練和競賽需要進(jìn)行電路設(shè)計(jì)制作,PCB設(shè)計(jì)中最耗時(shí)間的是原理圖庫和封裝庫設(shè)計(jì),其設(shè)計(jì)過程煩瑣且存在重復(fù)性設(shè)計(jì)問題,另外物料采購、焊接、調(diào)試都是可制造性設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)。通過建立校內(nèi)專業(yè)社團(tuán),通過新老學(xué)員幫帶建立學(xué)習(xí)共同體,通過教師指導(dǎo)、學(xué)員作品項(xiàng)目學(xué)習(xí),將能大幅度提高PCB設(shè)計(jì)效率。

2.3.2 依托創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目以練促學(xué)

課程團(tuán)隊(duì)在近年來申請(qǐng)了多項(xiàng)電路設(shè)計(jì)制作的省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目和院級(jí)項(xiàng)目。通過申請(qǐng)項(xiàng)目,讓學(xué)生有機(jī)會(huì)將電路設(shè)計(jì)制作與自己的創(chuàng)意想法相結(jié)合,鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。如2019年,課程組教師指導(dǎo)的省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“動(dòng)態(tài)顯示屏PCB設(shè)計(jì)制作”(見圖3),基于單片機(jī)控制、電機(jī)控制、視覺暫留原理設(shè)計(jì)與制作動(dòng)態(tài)顯示屏幕。該項(xiàng)目將大學(xué)生的創(chuàng)新思維融于電子線路制圖與制版課程的綜合創(chuàng)新訓(xùn)練中,同時(shí)考慮電子產(chǎn)品制作調(diào)試的便捷性、易用性,有效通過實(shí)踐育規(guī)范[4-5]。

圖3 “動(dòng)態(tài)顯示屏PCB設(shè)計(jì)制作” 綜合訓(xùn)練項(xiàng)目

課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過專業(yè)社團(tuán)、第二課堂等多種方式注重學(xué)生技能培養(yǎng),通過科研、競賽、項(xiàng)目反哺課程教學(xué),為課程建設(shè)積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和案例素材。

2.3.3 探索校企聯(lián)合培養(yǎng)人才路徑

引入企業(yè)機(jī)制開展實(shí)踐教學(xué)改革,注重在設(shè)計(jì)制作中滲透符合工程實(shí)際和設(shè)計(jì)規(guī)范的工程意識(shí)和工匠精神;加強(qiáng)原理圖分析,培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維和分析能力;加強(qiáng)規(guī)范PCB板電氣特性及制作工藝,滿足可制造性設(shè)計(jì)。

課程團(tuán)隊(duì)聯(lián)合本地企業(yè)江蘇創(chuàng)新融網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司,制訂企業(yè)內(nèi)PCB、PCBA工程師的培養(yǎng)方案,建立企業(yè)導(dǎo)師指導(dǎo)考核機(jī)制,完善學(xué)生理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)訓(xùn)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),讓學(xué)生參與工業(yè)現(xiàn)場,為其職業(yè)選擇與發(fā)展提供一個(gè)良好平臺(tái),有助于學(xué)生從事電子設(shè)計(jì)輔助工作,提升職業(yè)崗位技術(shù)層次。不少畢業(yè)生從事電子產(chǎn)品技術(shù)輔助研發(fā)崗位,負(fù)責(zé)電子線路制圖與制版及后續(xù)調(diào)試、測試,進(jìn)行產(chǎn)品定型前的設(shè)計(jì)改良,得到用人單位的一致好評(píng)。

3 結(jié)語

本課程作為重要的職業(yè)崗位能力課程,緊密對(duì)接市場崗位對(duì)可制造性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及工藝規(guī)范提出的較高要求,在教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施中無痕滲透可制造性設(shè)計(jì)規(guī)范、工匠精神,通過混合式教學(xué)融規(guī)范、拓展工程實(shí)訓(xùn)育規(guī)范,有效提升學(xué)生PCB設(shè)計(jì)可制造性規(guī)范意識(shí),取得了較好的教學(xué)效果。