第14篇 电子产品实训.docx
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第14篇电子产品实训
第14篇电子产品实训
14.1课程概述
14.1.1课程特点
电子产品实训是一门专业性和实践性都很强的课程，通过实训，学生可以在对元器件和焊接装配技术掌握熟练的基础上，通过自主研发，自己设计、安装、调试电路，培养创新意识和自己动手分析问题、解决问题能力，符合我校培养应用型，实践性人才的培养目标。
本门课程主要包括电子工艺学基本知识，模拟电路设计实例分析，数字电路实例分析和综合设计实例分析等几个主要部分，通过这些基本理论和实例，引导学生自己进行电路方案的设计、分析和安装、焊接和调试，直至成品的制作。
本课程的实例分析和实例设计部分需要结合相应的先修课程：
电路分析、模拟电路、数字电路、单片机等知识进行综合的分析和应用，电子工艺基本知识部分主要偏重于电子元器件的基本知识和电子装配工艺的规则等。
14.1.2本课程学习方法
本课程不同于以往的公共课或专业基础课以及专业课，它没有很强的理论性，不需要学生去明白高深的理论和规则，需要的就是大家的动手、实践和体会。
在本课程中，涉及到许多有关电子产品设计当中用到的一些常识性东西，如元器件的基本知识，制版、焊接装配的基础知识等，需要学生先对这些基础知识了然于心，然后在实验课或实训课中结合课堂上老师的讲授和书本上的知识，对元器件的基本识别和测试方法进行实地验证，达到熟练掌握；同时对一些操作技巧要多练习，多体会，保证操作娴熟。
除了这些之外，还需要学生对本专业的专业课程有较好的掌握，只有做到了这些，才能结合所学知识，进行合理的电路设计并用专业化的手法将其有理论转化为实实在在的产品。
14.1.3电子产品工艺概述
工艺在古代的含义指手工艺，发源于个人的操作经验和手工技能。
如图14.1-1的手工艺品，是我们传统工艺的结晶。
现代的工艺已经不仅仅是手工制作，更多的是工业化的过程，包括从设计到销售，包容每一个制造环节的整个过程。
电子工艺主要涉及电子整机产品的设计制造和一系列的管理过程。
电子整机产品的生产过程，主要有2个方面：
一个是制造工艺的技术手段和操作技能，另一个是指产品在生产过程中的质量控制和工艺管理，这两方面都是很重要的。
电子产品制造工艺工作程序有产品预研制阶段，设计性试制阶段，生产性试制阶段，直到批量生产（或质量改进）阶段。
这几个阶段对电子产品成品的生产制造而言，都是必不可少，每个环节都有自己的注意事项和需要发现和解决的问题。
14.2电子元器件基本知识
电子元器件可以分为有源器件和无源元件两大类。
无源元件分为电阻器，电位器，电容器，电感器，变压器等；有源器件可以分为二极管，三极管，集成电路等。
14.2.1常用元件
1、电阻器
电阻器是具有电阻特性的电子元件，是电子线路中应用最为广泛的元件之一，通常称为电阻。
电阻器分为固定电阻器和可变电阻器（电位器），在电路中起分压、分流和限流等作用，常用的电阻器符号如图14.2-1所示。
2、电位器
电位器按材料分，有合成型，合金型和薄膜型；按阻值变化规律分，有线性和非线性。
电位器种类很多，常见的电位器形状如图14.2-2所示。
3、电容器
电容器是组成电路的基本元件之一，是一种储存电能的元件，在电子电路中起到耦合、滤波、隔直流和调谐等作用。
电容器的电路符号如图14.2-3所示。
电解电容器的检测有两种方法：
（1）测量漏电阻（电源正极与电容器正极相接为正接，正接漏电流大）。
把万用表的红黑表笔和电解电容器的两端分别相接测电阻，然后互换方向，再测量一次，两次测量中，漏电阻小的一次，黑表笔所接为负极。
（2）看标记。
电解电容有“白道”的一端为负极，或者看新买的电解电容，引脚线长的一端为正极。
4、电感线圈
电感线圈简称电感，具有存储磁能的作用。
电感器用文字符号L表示。
电感线圈通常由骨架、绕组、屏蔽罩、磁芯等组成。
常用的电感线圈的外形如图14.2-4所示。
电感线圈的种类很多，分类的方法也不同。
①按电感的形式可分为固定电感器、可变电感器和微调电感器。
②按磁体的性质可分为空芯线圈和磁芯线圈
③按用途可分为天线线圈、振荡线圈、低频扼流线圈和高频扼流线圈。
④按耦合方式可分为自感应线圈和互感应线圈。
⑤按结构可分为单层线圈、多层线圈和蜂房式线圈等。
5、变压器
变压器按使用的工作频率可分为高频变压器、中频变压器、低频变压器和脉冲变压器等。
变压器按其磁芯可分为铁芯变压器、磁芯（铁氧体芯）变压器和空芯变压器等。
6、开关及接插件
其功能是通过一定的机械动作完成电气的连接或断开。
14.2.2常用器件
1、二极管
二极管按材料可分为锗二极管和硅二极管。
锗管与硅管相比，具有正向压降低（锗管0.2～0.3V，硅管0.5～0.7V）、反向饱和漏电流大、温度稳定性差等特点；二极管按用途可分为普通二极管、整流二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管、稳压二极管、隧道二极管、光电二极管等。
对二极管极性的判断，可以用万用表测量其两端电压，根据二极管的单向导电性测出其正负极。
2、三极管
晶体三极管（简称三极管）是信号放大和处理的核心器件，广泛用于电子产品中。
三极管的种类很多，按PN结的组合方式可分为NPN型和PNP型；按材料可分为锗三极管和硅三极管；按工作频率可分为高频三极管（fa≥3MHz）和低频三极管（fa＜3MHz）；按功率可分为大功率管（PC≥1W）和小功率三极管（PC＜1W）等。
常见三极管外形如图14.2-5所示。
3、集成电路
集成电路是利用半导体工艺或厚膜，薄膜工艺，将分立元器件按照一定的设计要求连接起来，制作在同一硅片上，成为特定功能的电路。
按照电路类型分：
TTL型，CMOS型，PMOS型，NMOS型等；按照集成度分：
小规模集成电路，中规模集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路，我们常用的都是中规模集成电路（MSI）。
集成电路的封装材料及外形有多种，最常用的封装材料有塑料、陶瓷及金属3种。
常用集成电路封装形式如图14.2-6所示。
14.2.3电子元器件的参数及命名
电子元器件的主要参数包括特性参数、规格参数和质量参数，这些参数从不同角度反映了一个电子元器件的电气性能及其完成功能的条件。
特性参数用于描述电子元器件在电路中的电气功能。
描述电子元器件的特性参数的数量称为它们的规格参数，包括标称值，额定值和允许偏差等。
质量参数用于度量电子元器件的质量水平，通常描述了电子元器件的特性参数和规格参数随外界环境因素变化的规律。
电子元器件的质量参数一般有温度系数、噪声电动势，高频特性及可靠性等，整机制造要考虑的有机械强度和可焊性。
为了保证电子整机产品的稳定可靠，必须在装配前对所用的电子元器件进行检验和筛选，筛选包括外观质量检验，功能性筛选和老化筛选。
电子元器件常用的标注法有：
直标法，文字符号法和色标法。
直标法是把元器件的主要参数直接标注在元器件表面上；文字标注法以前主要用于半导体器件，现在也多用来表示元件。
文字标注法在表示元件时，电阻为欧姆，电容为PF，电感为uH。
一般用3位数字标注元件的值。
对于大于10个基本单位的元件，前两位表示有效数字，后一位表示倍率。
例如104的电容为：
在圆柱体（电阻）上用色环，在球形或者异形体器件上用色点来表示元器件主要参数的方法称为色标法。
色环电阻有四环和五环电阻，不同的色环分别表示不同的有效数字或倍率或精度。
常用的色码表如表14.2-1所示。
表14.2-1色码识别表
颜色
有效数字
倍率
允许误差（%）
颜色
有效数字
倍率
允许误差（%）
黑色
0
灰色
8
—
棕色
1
白色
9
-20--+50
红色
2
金色
橙色
3
—
银色
—
黄色
4
—
无色
—
—
绿色
5
蓝色
6
紫色
7
14.3印制电路板的设计与制作
印制电路PCB板（PrintCircuitBoard），也叫印刷电路板，简称印制板，是指在绝缘基板上的印制导线和印制元器件系统。
具有印制电路的绝缘基板称为印制电路板。
印制电路板用于安装和连接小型化元件、晶体管、集成电路等电路元器件。
14.3.1印制电路板简介
印制电路板由绝缘底板，连接导线和焊盘组成，可以实现电路中各个元器件的电气连接，代替复杂的布线，缩小整机体积，提高电路抗干扰能力，还利于自动化生产。
使用印制电路板制造的产品具有可靠性高，一致性、稳定性好，机械强度高、耐振、耐冲击，体积小、重量轻，便于标准化、便于维修以及用铜量小等优点。
其缺点是制造工艺较复杂，单件或小批量生产不经济。
印制电路板按其结构可分为如下4种。
（1）单面印制电路板
单面印制电路板通常是用酚醛纸基单面覆铜板，通过印制和腐蚀的方法，在绝缘基板覆铜箔一面制成印制导线。
它适用于对电性能要求不高的收音机、收录机、电视机、仪器和仪表等。
（2）双面印制电路板
双面印制电路板是指两面都有印制导线的印制电路板。
通常采用环氧树脂玻璃布铜箔板或环氧酚醛玻璃布铜箔板。
由于两面都有印制导线，一般采用金属化孔连接两面印制导线。
其布线密度比单面板更高，使用更为方便。
它适用于对电性能要求较高的通信设备、计算机、仪器和仪表等。
（3）多层印制电路板
多层印制电路板是在绝缘基板上制成三层以上印制导线的印制电路板。
它由几层较薄的单面或双面印制电路板（每层厚度在0.4mm以下）叠合压制而成。
为了将夹在绝缘基板中的印制导线引出，多层印制电路板上安装元器件的孔需经金属化处理，使之与夹在绝缘基板中的印制导线沟通。
目前，广泛使用的有四层、六层、八层，更多层的也有使用。
多层印制电路板主要集成电路配合使用，有利于整机小型化及重量的减轻；由于其增设了屏蔽层，可以减小电路的信号失真；引入了接地散热层，可以促进散热，提高整机稳定性。
（4）挠性印制电路板
挠性印制电路板也称柔性印制电路板，是以软层状塑料或其他软质绝缘材料为基材制成的印制电路板。
它可以分为单面、双面和多层3大类。
此类印制电路板除了重量轻、体积小、可靠性高以外，最突出的特点是具有挠性，能折叠、弯曲、卷绕。
软性印制电路板在电子计算机、自动化仪表、通信设备中应用广泛。
14.3.2印制电路板的设计工具及制作过程
印制电路板的设计需要用电路设计EDA软件，EDA（ElectronicsDesignAutomation）——电子设计自动化，是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机软件系统，可看作是电子CAD的高级阶段。
Protel是常用的电子电路EDA软件，具有原理图和印制版图绘制和仿真的功能，能自动布局、布线，它的优点如下：
（1）分层次组织的设计环境；
（2）强大的元件库及元件库的组织功能；
（3）手动布线；
（4）易用的编辑环境，强大的编辑功能和丰富的印制图设计法则；
（5）原理图设计与印制图设计紧密连接；
（6）自定义原理图模板；
（7）设计检验；
（8）高智能的基于形状的自动布线功能。
在进行印制电路板设计之前，需要进行电路方案试验。
进行电路方案试验时，可以先进行电路搭接，验证功能，以利于改进。
对于多模块电路，可以分模块搭接和设计。
电路设计的前期试验可以用“面包板”或通用试验板。
一旦电路试验成功，证明电路方案本身设计无理论错误，就可以用EDA软件进行印制电路板的设计，设计成功之后即可以进行印制电路板的制作。
设计电路板应考虑如下因素：
1）线路的设计是否给整机带来干扰；
2）电路的装配与维修是否方便；
3）电路板的对外引线是否可靠；
4）元器件的排列是否均匀，布局是否合理
印制电路板的制造工艺发展很快，不同类型和不同的使用场合要求印制板需采用不同的制造工艺，但是在这些不同的工艺流程中，有许多必不可少的基本环节是类似的。
印制板的制作大致步骤如图14.3-1所示。
14.4焊接装配知识
印制电路板制作成功之后，就需要对元器件进行安装并焊接。
焊接装配常用的五金工具有钳子，剪刀等，如图14.4-1所示，分别为平嘴钳，斜口钳和螺丝刀。
焊接的工具为电烙铁，一般有内热式和外热式烙铁，现在焊接集成电路一般用恒温电烙铁，可以确保焊接质量。
手工焊接常用铅锡合金的焊锡丝，工业焊接常用的方法有波峰焊和浸焊，对SMT印制板，常用再流焊。
焊接必须具备的条件：
1）焊件具有良好的可焊性；2）焊件表面必须清洁；3）助焊剂选用合理；
4）焊件要加热到合适的温度，不能过高或过低，焊接时间也必须合适。
手工焊接五步法如图14.4-2所示。
焊接是电子产品制造中最主要的一个环节，在焊接结束后，为焊接保证质量，都要进行质量检查。
焊点质量检查通常通过目视检查和手触检查发现问题。
14.5表面安装技术SMT
表面安装技术SMT（SurfaceMountingTechnology），是近年比较流行的一种包括了电子元器件、装配技术和焊接方法等相关内容的系统综合技术，它是突破了传统的通孔插装技术的新兴组装方法，SMT技术用的元件为贴片元件，这种技术具有“轻、薄、短、小”等特点。
14.5.1表面装配元器件
表面装配元件基本上都是片状结构。
大致有薄片形状，圆柱形和扁平形等。
按照元器件性质分为：
SMD（有源器件）和SMC（无源元件）。
1、无源贴片元件SMC
SMC包括片状电阻器，电容器，电感器，滤波器和陶瓷振荡器等。
图14.5-1为常见的贴片电阻。
贴片电容可分为无极性和有极性两类，有极性电容也就是我们平时所称的电解电容，一般我们平时用的最多的为铝电解电容，其电解质为铝，温度稳定性以及精度都不是很高，而贴片元件由于紧贴电路板，要求温度稳定性要高，故贴片电容以钽电容居多。
2、有源贴片器件SMD
有源贴片器件包括二极管，三极管及各种数字和模拟集成电路等。
图14.5-2为几种常见的贴片SMD。
14.5.2SMT装配方案和生产设备
通孔插装多采用浸焊或波峰焊，而SMT工业化生产采用的多为回流焊（再流焊）。
浸焊：
就是利用锡炉把大量的锡煮熔，把焊接面浸入，使焊点上锡。
浸焊的过程：
焊料锅中的钎料被浸焊炉加热熔化，达到规定的温度；待焊工件或待焊工件的待焊部位被清理，沾助焊剂；待焊工件或待焊工件的待焊部位浸入浸焊炉的焊料锅中，待焊部位被加热到焊料熔点以上；由于亲和力的作用，焊料附着于工件待焊部位;工件取出冷却，浸焊完成。
波峰焊：
是指将熔化的焊料（铅锡合金），经电动泵或电磁泵喷流或者通过向焊料池中注入氮气吹气，熔化的焊料形成设计要求的焊料波峰，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的焊接。
波峰焊流程：
将元件插入相应的元件孔中→预涂助焊剂→预烘→波峰焊→切除多余插件脚→检查。
再流焊也叫回流焊，是伴随微型化电子产品的出现而发展起来的焊接技术，主要应用于各类表面组装元器件的焊接。
这种焊接技术的焊料是焊锡膏。
预先在电路板的焊盘上涂上适量和适当形式的焊锡膏，再把SMT元器件贴放到相应的位置；焊锡膏具有一定粘性，使元器件固定；然后让贴装好元器件的电路板进入再流焊设备。
传送系统带动电路板通过设备里各个设定的温度区域，焊锡膏经过干燥、预热、熔化、润湿、冷却，将元器件焊接到印制板上。
为了在装配时自动化效率提高，可以在印制板设计时让片状元件在印制板上的装配方向一致（整齐）。
采用不同的焊接方法，对SMT元器件在印制板上的布局也有一定的要求。
1、全SMT装配采用再流焊接时：
（1）元器件的长轴方向与电路板传送带的方向一致；
（2）元器件分布要均匀，大功率元件分开放置，避免局部过热，影响可靠性；
（3）双面贴装SMT，两面上较大的元器件要错开装配，避免局部热容量过大。
2、混合（SMT和THT通孔）装配采用波峰焊时：
（1）波峰焊面上不能放置（PLCC/QFP等）四边有引线的器件；
（2）波峰悍面上的SMT元件，长轴要和波峰流动方向平行，以减少电极间的桥接。
（3）波峰焊面上的大、小SMT元器件不能排成一条直线，防止阴影效应漏掉小元件。
14.6电子产品工艺的发展趋势
电子产品，特别是民用消费类电子产品的主要特征是小型化和多样化，而且会继续向着小型化、高集成化和多样化的方向发展。
为了实现小型化，可以将集成电路封装在芯片级封装内，或者根本不使用封装，即使用倒装芯片技术。
新一代无源器件的尺寸已经减小到0201或是以芯片级封装的形式集成到陶瓷或硅芯片内，还有可能将无源器件集成到基板内，这样，集成电路的体积会变得很小。
电子产品工艺还有一个潜在的发展趋势是使用模板集成电路和无源器件集成到插线层（interposer），然后将其组装到母板上。
由于这种技术日趋复杂，具有较细特征尺寸的基板是必需的，特别是用作插线层，例如用微孔、陶瓷材料内置层压基板，如象在玻璃陶瓷、硅基板、聚酰亚胺或聚脂箔和玻璃上镀铜或薄膜。
在考虑组装工艺时，必须采用再流焊接工艺以适应新的元件的需求，如芯片级封装和母板上的倒装芯片。
在模块中可使用新的组装工艺，如导电胶进行粘结。
环保意识也是一种趋势，其焦点是消除铅和卤化物的使用，用粘接的方法替代焊接、减少VOC的排放量，且设计不仅要面向组装，而且要面向分解。
思考题
14.1列出几种常见的元器件及其使用方法。
14.2查阅资料，介绍几种常用的焊接技术及各自使用范围。
14.3谈谈表面安装技术的优点和发展方向。
14.4谈谈电子产品工艺的未来发展趋势。
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