倒置变压器机贴的实现

龚弦 夏科

摘 要：以往该变压器的焊接采用印刷机印刷锡膏，手工放置变压器，然后回流焊接的方式。但是从贴片检验及调试工序反馈的情况来看，倒置变压器存在焊接位置偏移问题，且虚焊和漏焊比例很高。本次研究通过实现倒置变压器机贴、优化钢模开孔设计、优化印制板加工，从而避免焊接偏移问题。

关键词：倒置变压器；焊接；钢模开孔；印制板

由于变压器高度较高，为降低印制板正面器件高度及单元板的整体厚度，在设计PCB时常常采用变压器倒置的方式。

一、印制板设计

印制板开孔尺寸及焊盘设计如图1所示。

（一）以往生产情况

以往该变压器的焊接采用印刷机印刷锡膏，手工放置变压器，然后回流焊接的方式。但是从贴片检验及调试工序反馈的情况来看，倒置变压器存在焊接位置偏移问题（如图6所示），且虚焊和漏焊比例很高。

（二）试验方案

由于此前XX模块上的该变压器出现过批量手工补焊的问题，因此本次试验选取了XX模块作为试验板。且此批XX模块将批量生产2000块，生产量大，试验的结果更具有普遍性。在批量试验前主要需进行以下几方面的工作。

（1）实现变压器的贴片机贴装；

（2）对钢模的开孔设计进行优化；

（3）对印制板加工进行优化。

（三）变压器机贴的实现

试验使用的贴片机为Mydata多功能贴片机，该贴片机配置有水平供料系统，可以用于管式料管元器件的供料。

（四）器件吸取及识别

变压器能够被贴片机吸嘴吸取并被光学系统识别是实现机贴的基本条件。

因为变压器是倒置，器件封装与正常放置时不同，需要重新设计器件封装。我们首先使用了贴片机的自动学习封装功能学习变压器的封装。将变压器放置在贴片机Y平台的合适位置，然后手动选取了合适大小的吸嘴后，贴片成功将变压器吸起并照相，之后却显示封装学习失败。经过分析后发现由于变压器倒置，一根变压器引脚在照相时会出现两个明显的反光点（如图8示），造成贴片机无法判断哪个点是引脚端头，如下图所示。这时贴片机会认为器件不符合标准封装，因此学习封装失败。

自动学习失败，我们只能自己设计器件封装，从理论上分析，选取内侧或外侧的两组反光点作为封装的引脚识别点都是可以的，看似选取外部的反光点进行识别更接近实际引脚情况，但是贴片机进行识别时会对引脚端头的内侧进行识别以确定是否有引脚变形发生，如果选取外侧的反光点作为参照，拍照后贴片机识别到内侧的反光点时就会误判成引脚变形，从而造成误抛料。选择内侧的反光点虽然对引脚变形的识别能力会弱一些，但是能最大程度上避免误抛料。我们又对两种封装设置进行了多次贴片机识别试验，印证了理论分析的结果。

最后再根据器件生产厂商给出的器件封装尺寸对变压器的封装数据进行微调，防止由于样品器件的个体差异造成参数设置不标准从而造成的抛料率增高。

（五）器件放置

变压器识别通过后还必须放置到印制板的指定位置上，由于变压器壳体需要先穿过印制板上的开孔后变压器引脚才与焊盘接触，所以需要注意两方面的问题，第一，需防止变压器引脚还在空中，吸嘴就将器件扔掉；第二，防止万一对位不准，变压器壳体与印制板撞击造成器件、印制板或贴片头损坏。

第一个问题的解决方法是修改变压器的高度。贴片机的贴片头判断停止下降的位置以及何时释放真空吸力是由设定的器件高度决定的。

如图9所示，当变压器正常贴片时，变压器高度设置为597mm时，贴片机吸嘴到达如图所示位置时，贴片头停止下降，释放真空，顺利完成贴片操作。

如图10所示，当变压器倒置贴片时，变压器高度设置为597mm时，贴片机吸嘴到达如图所示位置时，贴片头停止下降，释放真空，变压器会以自由落体的方式落下，将会严重影响贴片的精度，甚至可能造成变压器无法落入开孔内。

如图11所示，当变压器倒置贴片时，应将变压器的高度设置为贴片头端面到印制板表面的距离，如图8所示应该为021mm，这样就能使变压器在合适的时候被吸嘴放下。

第二个问题，为防止由于对位不准或其他原因，變压器贴装过程中壳体与印制板撞击造成损伤，应合理设置贴片参数。贴片参数中关于贴片下降过程的设置主要有两个，一个是Z轴下降速度，一个是缓降高度。将Z轴下降速度设置到最低值，以减少碰撞时的速度和能量；缓降高度是贴片头端面达到设置高度时就会显著降低下降速度。如图12所示，将缓降高度设置为大于6mm即可达到良好的效果，从测试的情况看，在这种情况下即使发生碰撞也不会对印制板及贴片机造成损伤。

最后导入变压器的坐标值并在裸印制板上进行试贴，从试贴的情况来看，变压器坐标值需要微调以保证变压器的引脚与焊盘完全对应。需要注意的是，当在贴片机上调整变压器的x、y坐标时，如果变压器贴装的角度与定义的角度相比发生了旋转，需按照原定义的变压器方向调整x、y坐标值。

此批XX模块进行变压器试贴时，变压器的长度方向坐标需进行约0.2mm的调整，而当长度方向坐标调整0.3mm时变压器壳体与印制板会发生碰撞，这说明要顺利保证机贴，开孔在长度方向上至少要有0.3mm的余量。现有的XX模块开孔尺寸是合理的，而公司建立的标准Cadence库开孔在长度方向上偏小（如图13所示）。

（六）器件供料

XX模块上使用的变压器（TRC2019NLE）的包装形式为管料，需使用水平供料器进行供料。如下图所示，将料管翻转，使变压器的底部朝上，将端头位置料管的上部剪掉，长度略超过一个变压器的长度，将毛刺修剪整齐。然后将料管剪开端朝内装入贴片机水平供料仓，在贴片机上设置步进距离，直到贴片机可以顺利连续取料。

需注意变压器进料的方向，最优的进料方向应使贴片头在取料、移动、贴片的过程中旋转最小的角度。

（七）贴片程序调整

在进行小批量试生产时，发现完成贴片后，变压器的位置贴的并不正，而且一致性较差。经过分析Mydata贴片机的特性，判定是因为变压器贴装后，贴片机Y平台仍然会快速移动且加速度很大，由于变压器相对较重，锡膏的黏度不足以保证变压器不发生位移。为解决该问题，将变压器的贴装级别提高到5级，让贴片机最后再进行变压器贴装，此时变压器就不会因为Y轴移动而偏移（贴片机默认大型芯片最后贴，且贴装完第一块大型芯片后会自动降低Y轴加速度）。修改程序后，变压器贴片精度及一致性均满足要求。

二、钢模的优化

本批次的XX模块印制板已经制作完成，但印制板加工上存在焊盘内收的问题，为了提高本批次产品变压器的焊接可靠性，经过分析，需对钢模板进行优化。

在钢模改进前，如图15所示，钢模开孔只是向焊盘外侧延伸了约0.2mm，增加了一定的锡膏量，但锡膏与变压器引脚的接触面积依然偏小。

改进的方案是钢模的开孔在原开孔的基础上向焊盘内侧延伸0.15mm（注意不能延伸0.2mm，因为由于加工以及印刷机对位误差，钢模开孔有可能对到印制板开孔区域，印刷时会造成锡膏顺着缝隙流下），钢模开孔改进前后的印刷效果对比如下图，可以看出焊盤内侧锡膏明显增加。

三、印制板加工的优化

由于本批次的XX模块印制板已经制作完成，焊盘内收的问题只有等下批次产品生产时才能进行改进。目前已经与印制板生产进行过沟通，可以在不改变其他所有加工文件的前提下，仅对该变压器焊盘进行不内收处理。处理前后的效果图对比如下。

四、改进后变压器的焊接质量

本批次XX模块共生产了2000块，贴片完成后可以看到变压器的位置很正，几乎没有偏移或旋转的情况出现，焊点比较饱满，焊接效果较好，目测检验以及AOI测试几乎没有发现虚焊现象。从调试及后续环境试验反馈的情况来看，对变压器进行返工的XX模块只有不到10块，比例不到1%，试验取得了很好的效果，在保证焊接可靠性的前提下，减少了人工放置变压器的工序并提高了生产效率，也显著降低了人工补焊的比例。

五、进一步改进方向

虽然目前的试验已经取得了很好的效果，但为了实现更好的焊接效果以及提升焊接可靠性，除了改进印制板加工外，还可以将钢模设计成阶梯钢模，以进一步增加变压器焊点位置的锡膏量。

六、推广

其他型号的倒置变压器或是类似倒置器件均可以采用此方法进行贴片，但在实际运用过程中需注意以下几点：

（1）器件的底部应是封闭的且不能太重，否则现有贴片机无法吸取器件；如器件底部不封闭或太重，则需要贴片机厂家制造专用贴片工装才能实现；

（2）印制板上的开孔尺寸应能保证器件壳体顺利通过且留有一定的余量（经验值不应小于0.2mm，如器件体积较大则应适当增加余量），否则贴片过程中可能会频繁出现器件与印制板碰撞的现象，导致无法正常生产；

（3）注意通知印制板生产厂家倒置器件的焊盘不要内收（即印制板侧边可以露铜）；

（4）原手工焊接的器件在改为机贴后普遍会出现焊锡量不足的情况，应对钢模做相应优化。

参考文献：

[1]李淑珍，等.QJ3173航天电子电气产品再流焊接技术要求，2003.

[2]顾霭云，等.表面组装技术（SMT）基础与通用工艺.电子工业出版社，2014.

[3]罗道军，等.电子组装工艺可靠性技术与案例研究.电子工业出版社，2015.