第 8 周：电子产品制作
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 保持烙铁尖端干净、有光泽在烙铁尖涂一层薄焊料以辅助导热同时加热元件引脚和PCB焊盘（不只是一处）先加入少量焊料帮助传热耐心等待焊料自然流动（约10-15秒）焊料流动后继续保持加热一段时间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 先在一个焊盘上加少量焊料放置元件，用该焊盘临时固定焊接其他引脚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： 制作模板（可用聚碳酸酯材料铣削）通过模板涂抹焊膏放置元件加热使焊膏熔化（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：
检查焊点：确保光滑有光泽，无焊接桥接检查元件方向与值：确认元件方向正确，使用了正确的元件值查看数据表：确认引脚定义正确确认连接器方向测量供电电压：确保各处电压正确探测I/O信号：使用示波器等工具作业要求 小组作业： 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： 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 Dead Bug电路示例PCB蚀刻指南PCB铣削视频教程焊接资源 ROHS标准信息冷焊点识别指南CAM工具 FlatCAMpcb2gcodeMODSPCB制造商 JLCPCBPCBWayOSH ParkAisler调试指南 PCB调试视频优秀学生作业示例 Quentin的PCB制作示例Isaak Freeman的第6周作业任务计划 [ ] 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。