趙 鵬 王宇飛

（新疆理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新疆 阿克蘇 843000）

在我國，地方院校工科專業(yè)的定位一般以立足地方、服務(wù)地方、輻射周邊，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型、技能型人才為主。其培養(yǎng)的學(xué)生要求具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力，而電子類專業(yè)的能力要素主要體現(xiàn)為電路設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。隨著虛擬儀器的發(fā)展，傳統(tǒng)的仿真軟件如Proteus、Multisim等通過模擬仿真驗(yàn)證理論的正確性，但其受限于軟件附帶的庫，特別是國產(chǎn)芯片很難找到參數(shù)相同的模型。而電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)包含了布局、布線、組裝、焊接、調(diào)試等各個(gè)流程，需要全方位考核學(xué)生的實(shí)踐能力,使學(xué)生對(duì)器件的選型、封裝大小、線寬、線間距、封裝形式有明確的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件如Altium Designer等提供了原理圖和封裝的繪制功能，使實(shí)物設(shè)計(jì)不受軟件的約束。文章采用感光制版技術(shù)加工印制電路板（Printed Circuit Board，PCB），并根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)匯總并自建了常用器件的集成封裝庫供學(xué)生使用，有效解決了地方院校PCB制作時(shí)效低的問題，并將其應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中，提升了學(xué)生的興趣，為后續(xù)學(xué)科競(jìng)賽人才的儲(chǔ)備及選拔提供了借鑒，同時(shí)也為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)物制作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 手工PCB制作工藝流程解析

手工PCB制作技術(shù)，曾經(jīng)有將PCB圖鏡像打印到熱轉(zhuǎn)印紙上，經(jīng)熱轉(zhuǎn)印機(jī)轉(zhuǎn)印到銅板上然后蝕刻，被油墨遮蓋部分的保留下來，其余部分則蝕刻掉，保留下來的為線或焊盤，經(jīng)過鉆孔或焊接等環(huán)節(jié)完成。該方案的優(yōu)點(diǎn)：無須感光膠涂板，省去了曝光、去膜環(huán)節(jié)。該方案的缺點(diǎn)：需要熱轉(zhuǎn)印設(shè)備，熱轉(zhuǎn)印過程容易將覆銅板氧化，制作圖形較粗糙，在蝕刻過程中由于油墨附著不牢固容易斷線，導(dǎo)致制作PCB的成功率較低[1]。

PCB線路圖形制作有網(wǎng)版印刷方法，但需要制作網(wǎng)版，對(duì)于加工少量實(shí)驗(yàn)板不適合，因此選用光致成像圖形轉(zhuǎn)移法，以下簡稱感光法。

在學(xué)校實(shí)驗(yàn)工廠條件有限，確定采用感光法制作單面PCB及組裝。手工制作主要流程為：PCB設(shè)計(jì)——照相制版——感光圖形——蝕刻圖形——鉆孔——防氧化處理—焊接組裝。

教學(xué)中選擇PCB是單面板，并且省去了阻焊圖形和字符圖形制作。

2 Altium Designer中PCB原圖和底片打印

常用PCB制圖軟件有PADS、ALLEGRO、OrCAD及Altium Designer，高校中Altium Designer用得最為廣泛，文章以Altium Designer為例進(jìn)行設(shè)置。PCB圖層包含線路層、阻焊層、字符層，當(dāng)雙面板時(shí)線路有頂層、底層，為便于加工設(shè)計(jì)文件又細(xì)分成布線層、通孔焊盤層、機(jī)械尺寸層。手工PCB只需提供線路層、機(jī)械尺寸層。

照相底版的制作是采用噴墨打印完成。由上述設(shè)計(jì)文件構(gòu)成的程序指令輸入噴墨打印機(jī)，用透明聚酯為基片上打印出黑色線路圖形。對(duì)于正性感光板將線路設(shè)置為黑色，對(duì)于負(fù)性感光板設(shè)置顏色剛好相反。

打印機(jī)如果選用激光打印機(jī)打印照相底版膠片，因打印機(jī)速度快，容易產(chǎn)生熱量使打印膠片遇熱變形，而PCB中布局布線較為精密，如線寬為0.25 mm（10 mil），制版膠片形變后可使相鄰的器件錯(cuò)位，甚至信號(hào)線重疊而造成信號(hào)時(shí)序混亂[2][3]。因此，打印機(jī)選擇較為原始的噴墨打印機(jī)，且使噴墨打印機(jī)速度調(diào)至最低，圖形打印在磨砂面上，使打印黑度在5.0以上，能夠有效阻止曝光環(huán)節(jié)紫外線的穿透。

3 制板過程

3.1 感光膜涂覆

在覆銅板表面涂覆感光膜成為感光板，可以使用覆銅板表面貼合感光干膜制成，其中感光干膜夾在兩側(cè)薄膜之間，需要撕去底層與銅基板貼合，待貼好后撕去頂層以便顯影后的蝕刻環(huán)節(jié)，該方法存在感光干膜貼合過程中容易出現(xiàn)氣泡、褶皺等情況，而且感光干膜與銅基板附著不牢靠，容易在蝕刻環(huán)節(jié)受蝕刻液的流動(dòng)而斷線；也可將光致抗蝕劑膜利用細(xì)毛刷均勻涂抹于銅基板上制成感光板，該方案需要將感光膠晾干后才可使用，如需加急使用可采用電吹風(fēng)或熱風(fēng)槍均勻加熱使其速干；市面上也有已經(jīng)制好的正性或負(fù)性感光板，其性能較為優(yōu)良，可以根據(jù)設(shè)計(jì)成本、需求綜合選擇。

3.2 曝光與顯影

感光制版是附著在銅基板上的光致抗蝕劑膜與打印制成的PCB照相底版貼合，經(jīng)曝光后發(fā)生光分解反應(yīng)，被照相底版黑色遮蓋住的部分未曝光，經(jīng)顯影形成線路，成為蝕刻時(shí)保護(hù)層。

現(xiàn)采用正性感光板，感光板的保存應(yīng)采用不透光的密封袋封存，如果暴露在太陽光下，因陽光中含有紫外線，則會(huì)使感光板自動(dòng)曝光，使感光板失效。曝光機(jī)采用365 nm紫外線燈管曝光，也可在強(qiáng)烈的太陽光下直接照射曝光。曝光時(shí)間以感光膠商家建議的曝光時(shí)間為準(zhǔn)，也可根據(jù)曝光效果增加或縮減曝光時(shí)間。

顯影液用以將曝光后的感光板圖形顯示出來。因感光板選用正性感光板，顯影液也采用弱堿性正性顯影液。顯影溫度為30 ℃左右，在塑料盤內(nèi)輕搖或用軟毛刷輕刷，直到全部顯現(xiàn)出來，一般為30 s。

3.3 蝕刻與去膜

蝕刻槽用以盛放蝕刻液，并采用加熱棒加熱，同時(shí)利用增氧泵使蝕刻液流動(dòng)，以加快蝕刻液與裸露的覆銅層反應(yīng)。蝕刻速度與蝕刻液溫度有關(guān)，40 ℃蝕刻時(shí)間不超過30 min，一般加熱至40～45 ℃效果最佳，蝕刻裸露于感光膜外的覆銅層。蝕刻液可采用三氯化鐵或環(huán)保型的蝕刻劑配置，市面上有環(huán)保型蝕刻劑，以硫酸、過氧化氫為主，其配制成的蝕刻液為無色，與銅反應(yīng)后變?yōu)榫G色，當(dāng)顏色較深同時(shí)蝕刻速度變慢時(shí)說明蝕刻液已經(jīng)飽和需要重新配制蝕刻液，而廢棄蝕刻液可濃縮回收硫酸銅。該蝕刻液不能為提高溫度而利用金屬加熱器加熱蝕刻液，否則會(huì)將金屬加熱體腐蝕，造成短路事故[4][5]。蝕刻完成后覆蓋在銅線、焊盤上感光膜要去除掉，以便焊接。去膜液由強(qiáng)堿氫氧化鈉配置而成。蝕刻后的覆銅板浸入去膜液較長時(shí)間，讓感光膜浮起脫落，板子置于去膜液中容易使銅氧化，并且堿液會(huì)侵蝕環(huán)氧基板，因此去膜完成后應(yīng)立即取出。

3.4 鉆孔

根據(jù)焊盤直徑和插入引線直徑，選擇匹配的鉆頭鉆孔。由于學(xué)校條件有限，手工加工只能用普通臺(tái)式鉆機(jī)，一個(gè)個(gè)地鉆孔。如果PCB上安裝的都是貼片元件，則可以省略或減少鉆孔環(huán)節(jié)，使制作更加便捷。

3.5 防氧化處理

蝕刻后的銅在空氣長期放置中容易氧化，需要進(jìn)行防氧化處理，可以采用化學(xué)鍍錫，也可采用松香溶于乙醇后的液體涂抹于PCB上，待乙醇揮發(fā)完全后形成防氧化層，既起到助焊，又起到防氧化作用。

3.6 焊接組裝

對(duì)照電路圖紙，準(zhǔn)備好各種要安裝的元器件，以及電烙鐵和焊錫絲，采用手工焊接把元器件安裝在PCB上。

4 手工制作PCB在學(xué)科競(jìng)賽中的應(yīng)用

4.1 感光制版技術(shù)在學(xué)科競(jìng)賽中的應(yīng)用

PCB設(shè)計(jì)制作、調(diào)試及驗(yàn)證是電子類專業(yè)《電路分析》《模擬電子技術(shù)》《數(shù)字電子技術(shù)》《單片機(jī)原理及應(yīng)用》《傳感器原理及應(yīng)用》《電子線路CAD技術(shù)》等課程內(nèi)容的綜合應(yīng)用。在時(shí)效性要求較高的學(xué)科競(jìng)賽中，其優(yōu)勢(shì)非常明顯[6]-[8]。利用感光制版技術(shù)完成了2021年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“用電器分析識(shí)別裝置”實(shí)物的設(shè)計(jì)。該作品從方案選擇、原理圖的繪制、PCB布局布線設(shè)計(jì)、PCB制作、焊接、軟硬件調(diào)試共計(jì)四天三夜完成。采用Altium Designer軟件繪制原理圖并設(shè)計(jì)PCB，圖1為利用噴墨打印機(jī)打印出來的正向圖形制版膠片。

將打印好的制版膠片晾干后，其油墨面與正性感光板感光面貼合，通過曝光、顯影、蝕刻、去模、鉆孔及焊接后的效果如圖2所示。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測(cè)試后，本設(shè)計(jì)集抗干擾能力強(qiáng)、抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，最終的測(cè)試效果如圖3所示。該作品也獲得了省級(jí)二等獎(jiǎng)。

4.2 感光制版過程中注意事項(xiàng)

（1）本項(xiàng)目采用正性感光膠膜，配以正像打印膠片，且應(yīng)用正性顯影液顯影。若釆用負(fù)性感光膠膜，則配以負(fù)像打印膠片，且應(yīng)用負(fù)性顯影液顯影。

（2）不能 將感光板或感光干膜暴露于太陽光下，以免曝光失效。

（3）蝕刻時(shí)間長短和蝕刻溫度相關(guān)性較大，由于采用浸蝕，一般蝕刻溫度為45 ℃左右時(shí)，蝕刻時(shí)間一般不超過30分鐘，蝕刻過程中要實(shí)時(shí)觀察蝕刻效果，如果蝕刻過度會(huì)出現(xiàn)斷線的情況。

（4）噴墨打印線路膠片的油墨厚度應(yīng)當(dāng)足夠黑，在曝光時(shí)阻止紫外線穿透油墨，防止PCB信號(hào)線或焊盤出現(xiàn)斷線。

（5）不可將感光板與圖像膠片貼反，導(dǎo)致鏡像曝光。

（6）對(duì)于曝光效果不太好的時(shí)候，出現(xiàn)短路可以用手術(shù)刀將線路相連的部分切斷，出現(xiàn)斷線可以用油性記號(hào)筆修復(fù)。如果圖形缺陷較多，可以重做PCB。

（7）該方案對(duì)于單面板設(shè)計(jì)非常有效，但如果電路復(fù)雜單面布線無法通過時(shí)，可采用零歐姆電阻跨接。

5 結(jié)語

手工PCB不如工業(yè)板有阻焊層、字符層等外形美觀，但功能上完全等同。對(duì)于雙面板的制作，可采用打定位孔的形式使頂層和底層對(duì)稱，通過過孔金屬化技術(shù)，使焊盤和過孔上下連通。感光制版技術(shù)滿足高效低成本的設(shè)計(jì)需求，在教學(xué)實(shí)踐中的實(shí)物制作環(huán)節(jié)比傳統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)印技術(shù)有明顯的優(yōu)勢(shì)，在地方院校，以此方案完成實(shí)物制作能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)風(fēng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，有效解決地方院校電子設(shè)計(jì)類項(xiàng)目實(shí)物制作不便的問題。

通過手工制作簡單的PCB，能使學(xué)生直觀地體會(huì)到PCB設(shè)計(jì)中布局、布線的重要性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及對(duì)PCB產(chǎn)業(yè)的理解。