基于SMT重点实验室的可定制化PCB快速制板与小批量生产系统的研究.pdf

设备使用基于S MT重点实验室的可定制化P C B快速制板与小批量生产系统的研究王涛,李威,朱经睿(吉安职业技术学院,江西 吉安 )摘要在日常教学与科研过程中,针对印制电路板的设计与制作有着定制化、快速制板及小批量生产的要求,基于S MT重点实验室科研平台,本文提出一种可定制化P C B快速制板与小批量生产系统,对以上三点要求提出相应的解决方案,并指出研究该系统对教学和科研有着显著的促进意义.关键词印制电路板;可定制化;快速制板;小批量生产收稿日期:基金资助:江西省教育厅科学技术研究项目“基于S MT重点实验室的可定制化P C B快速制板与小批量生产系统”作者简介:王涛()男,硕士,讲师,研究方向为计算机控制、嵌入式设计.近年来,随着我国电子信息产业的飞速发展,带动着整个产业链也进入了一个黄金发展期,其中电子信息产业链中最重要的一个支链就是印制电路板产业,印制电路板是电子产品的关键电子互联件,被誉为“电子产品之母”.我国因市场潜力与生产成本低的优势,使印制电路板产业在几年时间里快速增长,现在已成为全球最大的印制电路板生产国.电路板的产品类型也随着应用场景的增加不断地丰富更新,从单面板到双面板再到多层板,从低速板到高速板再到超高速板,应用场景越来越复杂,对电路板的性能质量也提出了更高的要求.因此各种印制电路板的生产工艺方法也在不断推陈出新.在电子设备中几乎都会出现大小、功能、复杂程度各不相同的印制电路板,随着电子设备越来越复杂,所要求的零件及线路也在板子上越来越密集.很多时候需要验证所设计电路是否正确以及进行小批量生产,采用生产线进行打样成本过高,同时产品具体的需求功能多样,这就需要能够提供定制化结构设计.我校基于S MT重点实验室科研平台,设计一套可定制化P C B快速制板与小批量生产系统,提高了实验室的使用效率,满足了学生电子制作、E D A实践、电子设计大赛、课程设计、毕业设计、创新实践活动等综合性、设计性、创新性实验要求.印制电路板概述印制电路板简称为P C B板(P r i n t e dC i r c u i tB o a r d),是通过一定的制作工艺,在绝缘度非常高的基板上覆盖一层导电性能良好的铜箔构成覆铜板,按照P C B图的要求,在覆铜板上蚀刻出相关的图形,再经钻孔等后处理制成,以供元器件装配所用.印制电路板的主要作用()提供各种电子元器件固定、装配的机械支撑.印制电路板是组装电子元器件的基板,为各种电子元器件固定、装配提供机械支撑.()实现各种电子元器件之间的电气连接.印制电路板上所形成的印制导线,将各种电子元器件有机地连接在一起,使其发挥整体功能.一个设计精良的印制电路板,不但要布局合理,满足电气要求,还要充分体现审美意识,这也是印制电路板设计的新理念.()提供所要求的电气特性,保证电路的可靠性.在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法,遵守印制电路板设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求.年第期 造 纸 技 术 与 应 用()提供阻焊图形、识别字符和图形.印制电路板除了提供机械支撑和电气连接之外,还提供阻焊图形和丝印图形.阻焊图是在印制板的焊点外区域印制层阻止锡焊的涂层,防止焊锡在非焊盘区桥接.丝印图包括元器件字符和图形、电气检测点连线图形等,为印制电路板的装配、检查和维修提供了极大的方便.印制电路板的优点()电子设备的尺寸与重量有很大减小.()批量生产可以大大降低产品的单价.()元器件之间的连线与元件的安装便于自动化.()减少了电路中的分布电容,使电路的特性更加稳定.()可以确保批量生产的产品保持较高的电路特性参数.()元器件的位置是固定的,容易识别,所以使电子设备的维护变得简单.()检测时间减少,印刷电路使错连与短路错误降到最低.()减少了对P C B技术人员的技术要求,培训时间缩短.印制电路板的制作工业中主要采用显影曝光电镀的方法来实现,具体工艺流程如下:开料烘焙钻孔孔内沉铜板面电镀涂感光膜曝光(图形转移)显影图形电镀退膜蚀刻退锡阻焊层丝印白字(白色标注)热风整平喷锡(助焊层)成形.该工艺方法优点多,应用范围广,尤其适合制作高精度高性能电路板,适合工厂大批量的生产制造.但是该方法在教学和科研上存在一些无法解决的缺点.主要有以下几点:一是该工艺包含多达个工艺环节,每个工艺环节都需要特定的设备,设备成本较大;二是设备操作复杂,每种设备对操作者有较高的专业能力和丰富的操作经验要求,这对学校或者科研机构来说比较困难;三是该方法会产生对环境有害的重金属及有毒有害气体,需要专门的处理装置;四是该工艺的生产线一旦启动,需要连续生产一定时间以保证一定量的产能输出,否则会造成很大的成本浪费;五是需要建造特殊的生产场地,如贴膜所需的无尘空间、黄光环境、制作底片所需的暗室等.以上缺点导致了该工艺流程方法只能应用于工业当中大规模批量生产,对于教学和科研来讲需要提出一种小而全的制板方法,以满足低成本、制板快及个性化设计的需求.可定制化、快速、小批量制板系统S MT重点实验室背景吉安职业技术学院S MT重点实验室于 年获批吉安市重点实训室建设项目,总投资 万元,占地 平方米.实验室设备运行稳定,包含全自动印刷机、贴片机、回流焊、AO I等主要设备的全自动S MT生产线和包含半自动印刷机、手工插件线、波峰焊的手工生产线.目前整体运行正常,且已多次用于整周实训教学.生产线能够完成S MT完整自动生产作业,包含上板、印刷、贴片、焊接、视觉检测及返修等环节;能够完成S MT半自动生产作业;能够完成手动插件作业;能够完成半自动浸焊作业;能够开展印刷、贴片、焊接、视觉检测等环节的编程教学;能够完成前述项目的理实一体化教学(包含仿真教学);各操作设备其精度和稳定度达到工业生产级别,并能够用于开展相关的专业技能竞赛及资格认定.可定制化、快速、小批量制板系统组成结构可定制化、快速、小批量制板系统主要解决电路板制作过程中的以下三个问题:定制化、快速制板、小批量生产.主要设备包括:计算机、激光打印机、手动裁板机、热转印机、全自动多槽腐蚀机、激光雕刻机、D打印机,S MT自动生产线.整个系统包括三部分:快速打样部分、S MT小批量生产部分、定制化设计部分.主要组成结构如图所示.快速打样部分此部分主要包括设计、制作、验证.因为对所设计的产品需要快速生产验证,因此此处的制作选择为手工制板.基于S MT重点实验室的可定制化P C B快速制板与小批量生产系统的研究图系统主要组成结构目前最常用的手工制版方法是热转印法.热转印法采用热转移原理,先将设计好的印刷电路板图用激光打印机打印在热转印纸上,由于激光打印机用的墨粉是一种黑色耐热树脂微粒,受热时融化,打印时被硒鼓上感光后的静电图吸附,消除静电后经高温熔化并转移于热转印纸上,成为热转印板.由于热转印纸经过了高分子技术的特殊处理,它的表面覆盖了数层特殊材料的涂层,使热转印纸具有耐高温不粘连的特性.将该热转印纸覆盖在覆铜板上,施加一定的温度和压力,再次融化的墨粉便完全附着在覆铜板上,冷却后形成牢固的耐腐蚀图形.将覆铜板放入三氯化铁中腐蚀,将没有墨粉图形覆盖的铜箔腐蚀掉.清洗、干燥后钻孔,即成为做工精美的印刷电路板.热转印中所用到的两个核心设备为P C B气泡蚀刻机和热转印机,如图和图所示.S MT小批量生产部分实验室中有一条全自动S MT生产线,能够实现批量生产.在S MT生产线中,有一个重要环节为制作锡膏漏印钢网,并且制作时间和成本都很高,因此在小批量生产过程中,使用亚克力板来代替钢网,能够降低时间和成本,亚克力板上线路制作使用激光雕刻机完成.定制化设计部分此部分主要满足特定要求的P C B形状及产品外形,P C B形状由激光雕刻机加工完成,产品外形由 D打印机完成.图P C B蚀刻机图P C B热转印机图S MT生产线 图激光雕刻机图 D打印机系统优点本系统在S MT生产线的基础上增添激光雕刻机、D打印机、P C B蚀刻机与热转印机等设备,从而扩展了原S MT生产线的功能,使其能够进行P C B定制化设计及快速制板打样能力,同时使用亚克力板代替锡膏漏印钢网,节约了时间和成本,使得S MT生产线能够进行小批量生产.整套系统新增设备成本在万元左右,对于一般高校及科研机构都可以承受,因此本系统具有低成本,多功能性、多应用性,满足教学与科研需求等优点.(下转第 页)年第期 造 纸 技 术 与 应 用生,构建山水林田湖草沙生命共同体,为碳达峰、碳中和贡献中国力量.参考文献张云飞,李娜习近平生态文明思想的系统方法论要求坚持全方位全地域全过程开展生态文明建设J中国人民大学学报,():曹伯翔积极创建生态环境宣传教育实践基地,宣传好习近平生态文明思想J中华环境 (Z):吴守蓉,程显雅,陈琰习近平生态文明思想政治意蕴的四重维度J北 京 林 业 大 学 学 报(社 会 科 学 版),():孙金龙从党百年奋斗中汲取智慧和力量,以生态环境保护优异 成绩 迎 接党 的二 十 大召 开J环境 保 护,(Z):唐学军,陈晓霞生态文明视域下水源保护区农村居民生态环境保护意识研究以川东北B市为例J环境生态学,():吴晓梅,雷炜习近平生态文明思想研究J山东行政学院学报,():焦德武,曾凡银生态文明思想引领生态环境治理新实践J中华环境,():D e v e l o p m e n t o fE c o l o g i c a lC i v i l i z a t i o n i nt h eN e wE r aa n dI t sE n l i g h t e n m e n t t o t h eC a u s eo fE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tP r o t e c t i o nL IY o n g l i a n g,L IJ i a n(H e i l o n g j i a n gP r o v i n c eJ i a m u s iE c o l o g i c a lE n v i r o n m e n tM o n i t o r i n gC e n t e r,J i a m u s i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n to fe c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o nt h i n k i n gi nt h en e we r a,a n dd i s c u s s e st h e a c h i e v e m e n t s o f e c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o nc o n s t r u c t i o n f r o mf o u r a s p e c t s:t h e i m p r o v e m e n t o fs t r a t e g i cp o s i t i o n,t h ec o n t i n u o u se m e r g e n c eo fc o n s t r u c t i o na c h i e v e m e n t s,t h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n t o f e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t q u a l i t y,a n d t h e s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t o f e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t g o v e r n a n c ec a p a b i l i t i e s A t t h es a m et i m e,i te x p o u n d st h ee n l i g h t e n m e n to b t a i n e df r o mt h ec o n s t r u c t i o no f e c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o n t h i n k i n g i n t h en e we r a,a n dp r o v i d e s a c e r t a i n r e f e r e n c e f o r i m p r o v i n ge c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o n t h i n k i n g,p r a c t i c i n ge c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o n t h i n k i n g,a n dg u i d i n g t h ed e v e l o p m e n t o f e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nw o r kw i t he c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o nt h i n k i n g i nt h en e wp e r i o d K e y w o r d s:e c o l o g i c a lc i v i l i z a t i o nt h o u g h t;c o mm u n i t yw i t has h a r e df u t u r e;d e v e l o p m e n t;e n l i g h t e n m e n t(上接第 页)结语本系统在现有S MT生产线批量生产基础上加入了快速制板验证和可定制化设计部分,提高了实 验 室 的 使 用 效 率,满 足 了 学 生 电 子 制 作、E D A实践、电子设计大赛、课程设计、毕业设计及创新实践活动等综合性、设计性、创新性实验要求.多种设备配合使用,有助于学生对电子线路制作工艺的全面了解与学习,制板工艺流程环节多,涵盖机、光、电等多方面学科的知识.我校上学期已将本系统运用于E D A实习、电子制作及S MT生产实训等课程,学生们表现出极大的兴趣.通过这种实习,学生分析和解决问题的能力得到了提高,并且培养了创新能力.高职学校的职责就是为社会培养高技能人才和实用人才,所以实验室建设可定制化P C B快速制板与小批量生产系统是有必要的.参考文献陈宏浅析印制电路 板 的制 作J科学 咨询,():文军,刘诚,谢言清浅谈印制电路板的设计与制作J中国高新区,():,年第期 造 纸 技 术 与 应 用