電子工藝實(shí)訓考核裝置的設計與應用

電子工藝實(shí)習課程的目的和任務(wù)在于讓學(xué)生學(xué)習電子工藝基本的焊接、安裝技術(shù)，通過(guò)電子元器件和電子材料組裝和調試產(chǎn)品電路，體驗整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，從中學(xué)會(huì )相關(guān)電路板設計及制作方法，熟悉崗位職責，增強創(chuàng )新意識，為今后從事有關(guān)專(zhuān)業(yè)奠定實(shí)踐基礎。

1、電子工藝課程及其考核現狀

電子工藝實(shí)習是工藝性和實(shí)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(xué)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(dòng)焊接流水線(xiàn)工藝流程以及表面安裝技術(shù)操作技能流程。有條件的高校則購置了小型SMT設備和手動(dòng)焊膏印刷機，讓學(xué)生在實(shí)踐中了解新技術(shù)、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(zhù)電子工藝技術(shù)的發(fā)展，各種手持便攜設備和可穿戴設備等廣泛應用，電子產(chǎn)品變得越來(lái)越小，元器件安裝密度越來(lái)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(shí)踐教學(xué)是我國高等教育面向實(shí)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(shí)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(gè)教學(xué)環(huán)節考核和實(shí)習報告綜合考核，然后根據每部分的權重計算出學(xué)生實(shí)習zui終成績(jì)，或者采用普通試卷的理論考試的考核辦法。存在的主要問(wèn)題是學(xué)生參加電子工藝實(shí)習前后對電子工藝技能掌握的情況無(wú)法準確衡量，學(xué)生在電子工藝技能哪些方面存在缺陷無(wú)法直接體現。學(xué)生只有通過(guò)科學(xué)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(fā)揮學(xué)生后續參與科技比賽活動(dòng)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(xué)工作中，在實(shí)踐教學(xué)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(xué)生掌握電子工藝技能水平進(jìn)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(shí)現若干種典型電子產(chǎn)品電路的安裝與調試; 考核試題的命題主要包含一個(gè)典型電子產(chǎn)品的電路原理圖，以及電路關(guān)鍵測試點(diǎn)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(xué)生對電子工藝考核知識點(diǎn)的綜合掌握程度，為了能夠對電子工藝各個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行全面的考核，同時(shí)考慮到不同學(xué)校實(shí)際操作環(huán)境的限制，保證考核的順利開(kāi)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(gè)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(gè)SOT－23封裝，主要用于安裝三極管等元器件。這個(gè)區域可以很好地考核學(xué)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(pán)更加牢靠，避免焊接或拆焊元器件時(shí)導致通孔焊盤(pán)脫落。電路板長(cháng)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(gè)焊盤(pán)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(fā)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(gè)SOP20封裝，相鄰任意兩個(gè)引腳之間的間距為1.27mm(50mil) ，并且每個(gè)引腳對應的焊盤(pán)都經(jīng)過(guò)加長(cháng)等特殊處理，使得相對的兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)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(pán)，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(pán)，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(pán)，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(guò)這種方式可以對學(xué)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(pán)的手工焊接技術(shù)與拆焊技術(shù)進(jìn)行相關(guān)考核。用這種方式對學(xué)生進(jìn)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(guò)該方式可以對學(xué)生是否掌握貼片封裝電子元器件的識別與檢測，對學(xué)生是否掌握恒溫烙鐵及熱風(fēng)槍對貼片元器件的手工焊接技術(shù)與拆焊技術(shù)進(jìn)行相關(guān)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(shí)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(xué)生電烙鐵、恒溫烙鐵以及熱風(fēng)槍的手工焊接技術(shù)與拆焊技術(shù)，各種封裝的電子元器件識別、檢測與焊接等; 能夠充分、客觀(guān)地評定學(xué)生掌握電子工藝的情況; 能夠暴露學(xué)生在電子工藝操作技能中的薄弱環(huán)節，通過(guò)考核對學(xué)習過(guò)程進(jìn)行反饋，讓學(xué)生有針對性地提高某一項動(dòng)手能力，促進(jìn)教與學(xué)之間互動(dòng)效果的改善。

應用考核電路板搭接的一個(gè)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(yáng)數碼管以及數字編碼器組成。整個(gè)電路包含了多種不同封裝的元器件。實(shí)踐證明，考核電路板能夠很好地實(shí)現同時(shí)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(shí)物圖

4、電子工藝考核知識點(diǎn)及作用

電子工藝課程綜合了多方面的知識，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，對電子工藝的全面考核，需要落實(shí)到各個(gè)知識點(diǎn)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(lèi)似的甚至已損壞的元器件。要求學(xué)生能夠通過(guò)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(xué)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(xiàn)圖的轉化

考核學(xué)生經(jīng)過(guò)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(xiàn)圖，否則難以將電路原理圖焊接成實(shí)物電路板。除了常規的外觀(guān)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(xiàn)正誤或是否有遺漏，外接元器件的位置合理性等，同時(shí)要兼顧單面板布線(xiàn)方面盡量不交叉的要求。

4. 3 考核焊接技術(shù)與拆焊技術(shù)

要求學(xué)生同時(shí)熟練掌握普通電烙鐵、恒溫焊臺、熱風(fēng)槍等焊接工具對各種通孔直插元器件和貼片元器件進(jìn)行手工焊接與拆焊?，F代電子技術(shù)大量表面貼裝元器件的廣泛應用，學(xué)生除了了解回流焊機一整套的自動(dòng)化生產(chǎn)工藝外，還必須熟練做到手工焊錫適中，焊點(diǎn)表面光滑、明亮、無(wú)針孔，避免焊點(diǎn)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(chǎn)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(chǎn)品不一定*達到設計要求的性能指標，無(wú)法工作在*狀態(tài)。這時(shí)需要通過(guò)接入電源和信號，使電路在反復運行中暴露問(wèn)題，從而解決問(wèn)題使其達到預期的功能和技術(shù)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(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)波形或電壓、電流等數據的測量，要求學(xué)生熟練掌握萬(wàn)用表、信號發(fā)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(shù)指標和功能進(jìn)行測量和試驗，并同設計性能指標進(jìn)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(wèn)題，比如虛焊、漏焊、短路、少焊、錯焊和多焊等?？己送ㄟ^(guò)查找、分析和排除故障，要求學(xué)生通過(guò)視覺(jué)觀(guān)察、聽(tīng)覺(jué)分辨、觸覺(jué)感受等直觀(guān)檢查法縮小故障范圍;通過(guò)測量電阻、電壓、電流和波形等進(jìn)行局部電路判斷，甚至對可疑元器件采用替代法進(jìn)行處理。采用逐級推進(jìn)的方式，尋找故障源，排除故障直至電路正常工作為止。通過(guò)考核對每一個(gè)知識點(diǎn)進(jìn)行評定打分，根據權重計算得出學(xué)生實(shí)習zui終成績(jì)，能更加公平地評價(jià)學(xué)生學(xué)習的成果?？己酥攸c(diǎn)應以完成項目的質(zhì)量為依據，考核學(xué)生對所學(xué)知識和能力的綜合掌握、運用情況，以及對學(xué)習過(guò)程知識和能力的考核。

教師也可根據學(xué)生的情況進(jìn)一步對教學(xué)內容進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現學(xué)生與教師的良性互動(dòng)，達到教學(xué)相長(cháng)的目的。事實(shí)證明，熟練掌握貼片元器件的手工焊接及拆焊相關(guān)操作技能并通過(guò)考核的電子專(zhuān)業(yè)學(xué)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(guò)程中明顯表現出更細致，更的設計理念; 在設計制作出來(lái)的電子產(chǎn)品樣品試用中明顯表現出更穩定，更實(shí)用的特點(diǎn)。