Lei Feng Fab Academy 2025

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第 8 周：电子产品制作 ​

本文档内容由我向 Claude 3.7 Sonnet 提供课程大纲内容，以及本课程视频会议课程的字幕后，由 AI 提炼生成。

课程概要 ​

本周课程是关于电子产品制作的实践。在之前的课程中，我们已经学习了编程和模拟，并且已经设计了电子产品。现在，我们将进一步学习如何实际制作电路板，这是进入下一阶段学习（传感器和输出设备等）的基础。本课程将介绍不同的电路板制作方法，重点是数控铣削（CNC milling）技术，并会涵盖元件焊接、调试和测试等关键技能。

详细课程内容 ​

1. 电路板制作方法简介 ​

1.1 非推荐方法：Dead Bug 电路 ​

"Dead Bug"是一种简单但不稳定的电路制作方法，即直接在元件之间连接导线。这种方法虽然作为临时解决方案偶尔会用到，但由于结构不稳定且不可靠，因此不推荐在专业环境中使用。

1.2 蚀刻法（Etching） ​

蚀刻是一种使用化学品腐蚀铜层以创建电路的方法：

  • 优点：可批量处理，可实现非常精细的分辨率
  • 缺点：
    • 需要制作遮罩（可通过光刻、墨粉转移或印刷实现）
    • 使用危险化学品（如氯化铁、氯化铜、过硫酸铵/钠等）
    • 产生大量化学废物，对环境不友好
    • 耗水量大（1平方米的PCB可能消耗1立方米的水）

由于这些环境问题，Fab Lab通常不推荐蚀刻工艺，除非需要极高的精度或大批量生产。

1.3 数控铣削法（CNC Milling）- 推荐方法 ​

数控铣削是Fab Academy推荐的主要制作方法：

  • 优点：
    • 无需设置复杂工艺，设计可直接进入机器
    • 几乎没有废物（只有少量可轻松处理的粉尘）
    • 设计完成后10-15分钟内即可完成铣削
    • 结果高度一致可预测
  • 工具：
    • 使用小型高精度铣床
    • 常用刀具：
      • 0.010英寸（0.25毫米）铣刀：用于极小特征，但非常脆弱
      • 1/64英寸（约0.4毫米）铣刀：常用于切割走线
      • 1/32英寸（约0.8毫米）铣刀：用于切割板子和钻孔
      • V型刀头：成本较低，适合走线隔离，但不适合大面积铜层移除
      • 锥形刀头：结合了V型刀头和常规铣刀的优点
  • 固定与支撑：
    • 板材必须平整固定，任何弯曲都可能导致刀具断裂
    • 使用胶带或专用夹具固定
    • 需要底层材料（underlay）作为支撑，随着使用会逐渐磨损，需定期更换
  • 零点设置（Zeroing）：
    • 关键步骤，刀具必须精确定位在铜层表面
    • 常用方法：
      • 手动降低并固定（注意拧紧时可能导致工具轻微上移）
      • 纸张法：放置纸张并逐步降低刀具，当纸张不能移动时，再降低刀具纸张厚度的距离
      • 探针法：使用电导来自动测量零点位置
  • 刀具使用寿命：
    • 新刀具非常锋利，边缘特征精细
    • 略微钝化后实际效果更好
    • 随着使用，刀具会逐渐变钝，需要及时更换
  • 后处理：
    • 去毛刺处理：使用砂纸、锉刀或直边工具去除细小毛刺
    • 清洁：加工后应清洁电路板，避免指纹油污导致铜层氧化

1.4 其他制作方法 ​

1.4.1 乙烯基切割法（Vinyl Cutter） ​
  • 比铣削更快，因为只需移动刀具轨迹而非整个区域
  • 需要"剥离"（weeding）过程，这需要一定技巧
  • 走线可以放置在任何表面，灵活性高
  • 步骤：
    • 使用底层支撑
    • 将铜转移到环氧胶片或聚碳酸酯膜上
    • 切割（确保深度适中）
    • 剥离不需要的部分
    • 建议最后进行封装处理以增强附着力，特别是连接器部分
1.4.2 激光切割法（Laser Cutting） ​
  • 普通CO2激光切割机无法用于PCB制作
  • 光纤激光（约1微米波长）可以有效去除铜层
  • 新型设备如XTool F1 Ultra（约4000美元）结合了二极管激光和光纤激光
  • 特点：
    • 不受工具直径限制，仅受光束直径限制
    • 对激光焦点非常敏感
    • 去除铜层可能需要多次通过（约10次）
    • 可以处理非常细小的特征
    • 可同时处理大面积和细小特征
1.4.3 其他方法 ​
  • 激光诱导石墨烯（LIG）：使用激光在Kapton上直接写入石墨烯导电材料
  • 导电墨水印刷：通过印刷导电墨水创建电路
  • 电镀技术：用于商业低成本RFID标签等
  • 导电线缝纫：使用导电线在织物上创建低分辨率电路

2. PCB材料 ​

2.1 刚性电路板材料 ​

  • FR4（环氧玻璃纤维）：
    • 商业上最常用
    • 不推荐在Fab Lab中铣削，因为：
      • 玻璃纤维会磨损工具
      • 玻璃微粒是危险废物，不宜吸入
  • FR1（酚醛纸基板）：
    • Fab Academy推荐使用
    • 易于铣削，无有害粉尘
    • 耐温性略低于FR4，但足够手工焊接
  • Garolite：类似于FR1但没有铜层

2.2 柔性电路板材料 ​

  • Kapton/Pyralux：商业柔性电路常用材料
  • 环氧胶片和铜带：可用于DIY柔性电路

2.3 铜层厚度 ​

  • 0.5盎司：17.5微米
  • 1.0盎司：35微米（标准）
  • 2.0盎司：70微米

3. 商业PCB制造 ​

3.1 常用PCB制造商 ​

  • JLCPCB、PCBWay、OSH Park、Aisler等
  • 特点：成本低廉（数美元即可获得多块板）
  • 运费通常是主要成本

3.2 设计规则 ​

  • 走线宽度/间距：商业通常为5密耳（0.127毫米）
  • 自制PCB通常需要更宽的走线和间距（约15密耳/0.38毫米）

3.3 层数 ​

  • 单面板：所有走线在一侧
  • 1.5面板：使用零欧姆电阻器作为交叉连接
  • 双面板：两面都有走线，需要翻转对准
  • 多层板：商业上常见4层（顶层、底层、电源层、地层）

3.4 过孔（Vias） ​

  • 通孔连接的方法：
    • 导线：适合少量连接
    • 铆钉：手工制作多层板的好选择
    • 电镀：商业PCB标准方法
  • 特殊过孔类型（仅商业生产）：
    • 盲孔：从表面连接到内部层
    • 埋孔：仅在内部层之间连接

4. 电子元件 ​

4.1 元件类型 ​

  • 通孔元件（Through-hole）：少用，主要用于需要加固的特殊部件
  • 表面贴装元件（Surface-mount）：推荐使用
  • 芯片级封装（Chip-scale）：极小元件，需要特殊焊接工艺

4.2 为什么不使用面包板（Breadboard） ​

  • 问题：
    • 需要带引脚的元件（与PCB设计不符）
    • 无文档记录，难以转移到PCB设计
    • 电气性能差（噪声、频率特性）
    • 机械性能差（走动时连接可能松动）
  • 推荐：直接学习制作电路板，这样更可靠、有文档记录，且可从原型直接过渡到生产

5. 焊接技术 ​

5.1 焊接设备 ​

  • 烙铁/焊台：控制温度
  • 烟雾排除器：提供良好通风
  • 安全注意事项：避免烫伤

5.2 焊料类型 ​

  • 无铅焊料（推荐）：环保，符合ROHS标准，需稍高温度
  • 含铅焊料：焊接温度较低，但不环保
  • 低温焊料：特殊应用

5.3 形式： ​

  • 焊丝：手工焊接常用
  • 焊膏：回流焊接用

5.4 手工焊接技巧 ​

  1. 保持烙铁尖端干净、有光泽
  2. 在烙铁尖涂一层薄焊料以辅助导热
  3. 同时加热元件引脚和PCB焊盘（不只是一处）
  4. 先加入少量焊料帮助传热
  5. 耐心等待焊料自然流动（约10-15秒）
  6. 焊料流动后继续保持加热一段时间
  7. 移开烙铁

良好的焊点：光滑有光泽；不良焊点：呈颗粒状、暗淡

5.5 元件固定技巧 ​

  1. 先在一个焊盘上加少量焊料
  2. 放置元件，用该焊盘临时固定
  3. 焊接其他引脚
  4. 最后回到第一个焊点，加入适量焊料完成良好焊接

5.6 回流焊接 ​

  • 适用于极小元件或批量生产
  • 步骤：
    1. 制作模板（可用聚碳酸酯材料铣削）
    2. 通过模板涂抹焊膏
    3. 放置元件
    4. 加热使焊膏熔化（可用热风枪、热板或回流炉）
  • 技巧：热风枪不要太快接近，以免吹走元件

5.7 拆焊技术 ​

  • 焊芯（Solder Braid）：先加一小球焊料"引启"，然后焊芯会吸走焊料
  • 热风重力法：用热风枪加热所有引脚，利用重力使元件脱离

5.8 修复技巧 ​

  • 走线切断与跳线：当设计有错误时，可以切断走线并添加跳线
  • 元件重新放置：使用拆焊技术移除错误放置的元件

6. CAM与文件格式 ​

6.1 常用格式 ​

  • Gerber/RS-274X：行业标准，用于商业生产
  • PNG：易于查看和编辑，适合自制PCB（无压缩伪影）

6.2 CAM软件 ​

  • FlatCAM、pcb2gcode：将PCB文件转换为铣床G代码
  • gerber2img、gerber2png：将Gerber文件转换为图像
  • MODS：工作流程自动化工具

6.3 设计考虑 ​

  • 走线宽度根据制作工具选择
  • 焊盘设计注意事项：可能需要调整标准焊盘以适应铣削工具
  • 标准焊盘间距：
    • 50密耳：容易实现
    • 0.65毫米：相对容易
    • 0.5毫米或更小：自制PCB挑战很大

7. 调试技巧 ​

当电路板不工作时，按照以下步骤系统调试：

  1. 检查焊点：确保光滑有光泽，无焊接桥接
  2. 检查元件方向与值：确认元件方向正确，使用了正确的元件值
  3. 查看数据表：确认引脚定义正确
  4. 确认连接器方向
  5. 测量供电电压：确保各处电压正确
  6. 探测I/O信号：使用示波器等工具

作业要求 ​

小组作业： ​

  1. 表征您实验室内部PCB生产过程的设计规则
    • 运行测试图案，确定可实现的最小走线宽度和间距
    • 确保工作流程运行正常，结果应当高度一致
  2. 向PCB制造商提交PCB设计
    • 完成设计上传和价格估算流程
    • 实际订购可选

个人作业： ​

  1. 制作并测试您设计的微控制器开发板
    • 铣削电路板
    • 焊接元件
    • 运行您编写的程序
    • 验证功能正常
  2. 额外加分：使用另一种制作工艺
    • 从铣削开始（最简单可预测）
    • 尝试乙烯基切割或激光铣削等其他方法

时间管理建议 ​

  • 更新设计以符合设计规则：1天
  • 学习制作电路板：1天
  • 制作电路板：1天
  • 焊接：1天
  • 加载代码：1天
  • 留出充足时间进行调试（至少2天）

学习资源 ​

电路板制作方法 ​

焊接资源 ​

CAM工具 ​

PCB制造商 ​

调试指南 ​

优秀学生作业示例 ​

任务计划 ​

  • [ ] 3 月 14 日周五：确定作业电路板并准备元件（可能需要根据找到的元件修改电路板）。
  • [ ] 3 月 15 日周六：学习制作电路板。
  • [ ] 3 月 16 日周日：切割电路板及焊接测试。
  • [ ] 3 月 17 日周一：代码及文档。
  • [ ] 3 月 18 日周二：网站上传及补作业。