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        電子工藝實訓考核裝置的設計與應用

        發布時間:2018-05-22      點擊次數:2512

        電子工藝實習課程的目的和任務在于讓學生學習電子工藝基本的焊接、安裝技術,通過電子元器件和電子材料組裝和調試產品電路,體驗整個生產工藝流程,從中學會相關電路板設計及制作方法,熟悉崗位職責,增強創新意識,為今后從事有關專業奠定實踐基礎。

        1、電子工藝課程及其考核現狀

        電子工藝實習是工藝性和實踐性相結合的基礎課,國內高等院校電子工藝課程普遍的做法,是要求學生掌握電烙鐵和恒溫焊臺對通孔直插元器件的焊接與拆焊,了解波峰焊自動焊接流水線工藝流程以及表面安裝技術操作技能流程。有條件的高校則購置了小型SMT設備和手動焊膏印刷機,讓學生在實踐中了解新技術、新工藝,熟悉SMT印刷板再流焊工藝流程,掌握手工貼裝等操作技能。但隨著電子工藝技術的發展,各種手持便攜設備和可穿戴設備等廣泛應用,電子產品變得越來越小,元器件安裝密度越來越高,貼片元器件的手工焊接及拆焊成為操作者的基本要求,將SMT引入實踐教學是我國高等教育面向實際工程訓練的需要,但目前高校電子工藝課程對這方面的實訓偏少甚至缺失。

        對電子工藝課程的考核主要是分散對每個教學環節考核和實習報告綜合考核,然后根據每部分的權重計算出學生實習zui終成績,或者采用普通試卷的理論考試的考核辦法。存在的主要問題是學生參加電子工藝實習前后對電子工藝技能掌握的情況無法準確衡量,學生在電子工藝技能哪些方面存在缺陷無法直接體現。學生只有通過科學的電子工藝考核得知自己存在的知識盲區,有針對性地提高自己的短板,才能充分發揮學生后續參與科技比賽活動的積極性。

        2、電子工藝考核平臺的設計

        本文從近7年承擔電子工藝課程的教學工作中,在實踐教學積累以及課程考核嘗試的基礎上,設計了一套完整的通用的電子工藝考核平臺,對學生掌握電子工藝技能水平進行考核。設計的電子工藝考核平臺主要包含一塊考核電路板,一份考核試題以及試題涉及的電子元器件等。

        在考核電路板上面設計有通孔直插元器件(THT)和表面貼裝元器件(SMT)的安裝位置,能夠在考核電路板上實現若干種典型電子產品電路的安裝與調試; 考核試題的命題主要包含一個典型電子產品的電路原理圖,以及電路關鍵測試點的數據、波形記錄表格等; 而提供的試題考核所需的電子元器件,包含了試題規定的元器件,以及一些額外的參數相近的或封裝不同的甚至是損壞的元器件。
        根據學生對電子工藝考核知識點的綜合掌握程度,為了能夠對電子工藝各個知識點進行全面的考核,同時考慮到不同學校實際操作環境的限制,保證考核的順利開展,對電子工藝考核平臺設計的重心集中在考核電路板的設計上,考核電路板的頂層如圖1 所示,底層如圖2 所示。


        圖1 考核電路板頂層

        考核電路板包含32 個公制2012 封裝(對應英制0805 封裝,括號內為英制,下同) ,并向下兼容1608( 0603) 封裝以及1005 ( 0402) 封裝貼片元器件,如電阻、電容、二極管和LED 等。電路板還包含8個SOT-23封裝,主要用于安裝三極管等元器件。這個區域可以很好地考核學生焊接貼片分立元器件的水平和技巧??己穗娐钒宀捎秒p面板結構,使通孔焊盤更加牢靠,避免焊接或拆焊元器件時導致通孔焊盤脫落。電路板長寬尺寸為10cm×10cm,能夠很好地控制成本。電路板通孔焊接區域任意兩個焊盤之間的孔距是標準的2.54mm(100mil)間距,孔徑是1.0mm(40mil),能兼容絕大部分通孔直插元器件引腳大小與間距,如常用的雙列直插集成電路芯片、電阻、電容、二極管、發光二極管和按鍵等。


        圖2 考核電路板底層

        考核電路板包含兩個SOP20封裝,相鄰任意兩個引腳之間的間距為1.27mm(50mil) ,并且每個引腳對應的焊盤都經過加長等特殊處理,使得相對的兩個引腳之間的寬窄能夠兼容SOP04 ~ SOP20封裝的貼片元器件,大大地拓展了考核電路板對SOP 貼片封裝集成電路芯片各種引腳數的支持。

        同時,兩個SOP20封裝與雙列直插封裝40引腳(DIP40)共用引腳及區域,充分地利用電路板空間。DIP40封裝引腳間距為2.54mm(100mil) ,可以安裝STC89C52RC 和STC15F2K60S2 等雙列直插封裝的單片機芯片。整塊考核電路板包含: 一定面積的通用標準間距的通孔焊盤,通孔從考核電路板的頂層貫穿至底層,用于安裝各種通孔直插封裝元器件; 一定數量通用標準的貼片焊盤,用于安裝各種貼片封裝元器件。另外在電路板的頂層空余位置,還設計預留了一部分空閑的貼片焊盤,用于焊接和拆焊練習。

        3、電子工藝考核平臺的應用

        3. 1 全部直插元器件考核方式

        該方式配套的電子元器件全部都是通孔直插封裝的元器件。通過這種方式可以對學生是否掌握直插元器件的識別與檢測,是否掌握普通通孔焊盤的手工焊接技術與拆焊技術進行相關考核。用這種方式對學生進行考核基本等同于普通的板焊接電路。

        3. 2 全部貼片元器件考核方式

        該方式配套的電子元器件主要是以SOP封裝、SOT-23封裝和0805封裝的貼片元器件為主。通過該方式可以對學生是否掌握貼片封裝電子元器件的識別與檢測,對學生是否掌握恒溫烙鐵及熱風槍對貼片元器件的手工焊接技術與拆焊技術進行相關考核。

        3. 3 直插和貼片元器件混合考核方式

        該方式配套的電子元器件同時包含通孔直插封裝和表面貼片封裝的元器件,能夠全面考核學生電烙鐵、恒溫烙鐵以及熱風槍的手工焊接技術與拆焊技術,各種封裝的電子元器件識別、檢測與焊接等; 能夠充分、客觀地評定學生掌握電子工藝的情況; 能夠暴露學生在電子工藝操作技能中的薄弱環節,通過考核對學習過程進行反饋,讓學生有針對性地提高某一項動手能力,促進教與學之間互動效果的改善。

        應用考核電路板搭接的一個數字音頻控制器,如圖3所示。電路主要由SOP20封裝的STC11F04E單片機、SOP20封裝的PT2315數字音頻控制芯片、三位一體共陽數碼管以及數字編碼器組成。整個電路包含了多種不同封裝的元器件。實踐證明,考核電路板能夠很好地實現同時存在直插和貼片元器件的電路的制作和考核。


        圖3 數字音頻控制器實物圖

        4、電子工藝考核知識點及作用

        電子工藝課程綜合了多方面的知識,是一個循序漸進的過程,對電子工藝的全面考核,需要落實到各個知識點的考核。

        4. 1 考核電子元器件識別與檢測

        考核試題除了提供所需的元器件外,還額外增加了一些參數相近的、外形類似的甚至已損壞的元器件。要求學生能夠通過儀器儀表檢測元器件好壞并找出所需要用到的元器件,從而衡量學生對元器件識別與檢測的掌握程度。

        4. 2 考核原理圖的讀圖與布局布線圖的轉化

        考核學生經過分析和讀圖,能分解電路并看懂一般的電路原理圖,且能轉化成布局布線圖,否則難以將電路原理圖焊接成實物電路板。除了常規的外觀整齊和均勻外,主要考查元件是否交叉或重疊,元件的管腳正誤,連線正誤或是否有遺漏,外接元器件的位置合理性等,同時要兼顧單面板布線方面盡量不交叉的要求。

        4. 3 考核焊接技術與拆焊技術

        要求學生同時熟練掌握普通電烙鐵、恒溫焊臺、熱風槍等焊接工具對各種通孔直插元器件和貼片元器件進行手工焊接與拆焊?,F代電子技術大量表面貼裝元器件的廣泛應用,學生除了了解回流焊機一整套的自動化生產工藝外,還必須熟練做到手工焊錫適中,焊點表面光滑、明亮、無針孔,避免焊點裂紋、焊接毛刺、元器件位置偏移等,甚至還需要掌握BGA 等封裝元器件的焊接與拆焊。

        4. 4 考核電子產品的安裝和調整

        由于電子元器件參數的分散性、裝配焊接工藝的影響,焊接安裝完畢的電子產品不一定完全達到設計要求的性能指標,無法工作在*狀態。這時需要通過接入電源和信號,使電路在反復運行中暴露問題,從而解決問題使其達到預期的功能和技術指標,這就是電子電路調整的考核內容。

        4. 5 考核常用電子儀器儀表對電路的測試

        焊接完的電路板需要進行關鍵點波形或電壓、電流等數據的測量,要求學生熟練掌握萬用表、信號發生器、示波器、毫伏表等常用電子儀器儀表,對電路的各項技術指標和功能進行測量和試驗,并同設計性能指標進行比較, 以確定電路是否合格。

        4. 6 考核電路故障分析與排除

        焊接完的電路板可能存在一些問題,比如虛焊、漏焊、短路、少焊、錯焊和多焊等??己送ㄟ^查找、分析和排除故障,要求學生通過視覺觀察、聽覺分辨、觸覺感受等直觀檢查法縮小故障范圍;通過測量電阻、電壓、電流和波形等進行局部電路判斷,甚至對可疑元器件采用替代法進行處理。采用逐級推進的方式,尋找故障源,排除故障直至電路正常工作為止。通過考核對每一個知識點進行評定打分,根據權重計算得出學生實習zui終成績,能更加公平地評價學生學習的成果??己酥攸c應以完成項目的質量為依據,考核學生對所學知識和能力的綜合掌握、運用情況,以及對學習過程知識和能力的考核。

        教師也可根據學生的情況進一步對教學內容進行改進,實現學生與教師的良性互動,達到教學相長的目的。事實證明,熟練掌握貼片元器件的手工焊接及拆焊相關操作技能并通過考核的電子專業學生,在后續參加各種科技比賽中,在元器件焊接和選型方面明顯表現出體積小、精度高等操作技巧;在PCB 設計過程中明顯表現出更細致,更的設計理念; 在設計制作出來的電子產品樣品試用中明顯表現出更穩定,更實用的特點。

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