龔弦 夏科

摘 要：以往該變壓器的焊接采用印刷機(jī)印刷錫膏，手工放置變壓器，然后回流焊接的方式。但是從貼片檢驗(yàn)及調(diào)試工序反饋的情況來看，倒置變壓器存在焊接位置偏移問題，且虛焊和漏焊比例很高。本次研究通過實(shí)現(xiàn)倒置變壓器機(jī)貼、優(yōu)化鋼模開孔設(shè)計(jì)、優(yōu)化印制板加工，從而避免焊接偏移問題。

關(guān)鍵詞：倒置變壓器；焊接；鋼模開孔；印制板

由于變壓器高度較高，為降低印制板正面器件高度及單元板的整體厚度，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)常常采用變壓器倒置的方式。

一、印制板設(shè)計(jì)

印制板開孔尺寸及焊盤設(shè)計(jì)如圖1所示。

（一）以往生產(chǎn)情況

以往該變壓器的焊接采用印刷機(jī)印刷錫膏，手工放置變壓器，然后回流焊接的方式。但是從貼片檢驗(yàn)及調(diào)試工序反饋的情況來看，倒置變壓器存在焊接位置偏移問題（如圖6所示），且虛焊和漏焊比例很高。

（二）試驗(yàn)方案

由于此前XX模塊上的該變壓器出現(xiàn)過批量手工補(bǔ)焊的問題，因此本次試驗(yàn)選取了XX模塊作為試驗(yàn)板。且此批XX模塊將批量生產(chǎn)2000塊，生產(chǎn)量大，試驗(yàn)的結(jié)果更具有普遍性。在批量試驗(yàn)前主要需進(jìn)行以下幾方面的工作。

（1）實(shí)現(xiàn)變壓器的貼片機(jī)貼裝；

（2）對鋼模的開孔設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；

（3）對印制板加工進(jìn)行優(yōu)化。

（三）變壓器機(jī)貼的實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)使用的貼片機(jī)為Mydata多功能貼片機(jī)，該貼片機(jī)配置有水平供料系統(tǒng)，可以用于管式料管元器件的供料。

（四）器件吸取及識別

變壓器能夠被貼片機(jī)吸嘴吸取并被光學(xué)系統(tǒng)識別是實(shí)現(xiàn)機(jī)貼的基本條件。

因?yàn)樽儔浩魇堑怪?，器件封裝與正常放置時(shí)不同，需要重新設(shè)計(jì)器件封裝。我們首先使用了貼片機(jī)的自動學(xué)習(xí)封裝功能學(xué)習(xí)變壓器的封裝。將變壓器放置在貼片機(jī)Y平臺的合適位置，然后手動選取了合適大小的吸嘴后，貼片成功將變壓器吸起并照相，之后卻顯示封裝學(xué)習(xí)失敗。經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)由于變壓器倒置，一根變壓器引腳在照相時(shí)會出現(xiàn)兩個(gè)明顯的反光點(diǎn)（如圖8示），造成貼片機(jī)無法判斷哪個(gè)點(diǎn)是引腳端頭，如下圖所示。這時(shí)貼片機(jī)會認(rèn)為器件不符合標(biāo)準(zhǔn)封裝，因此學(xué)習(xí)封裝失敗。

自動學(xué)習(xí)失敗，我們只能自己設(shè)計(jì)器件封裝，從理論上分析，選取內(nèi)側(cè)或外側(cè)的兩組反光點(diǎn)作為封裝的引腳識別點(diǎn)都是可以的，看似選取外部的反光點(diǎn)進(jìn)行識別更接近實(shí)際引腳情況，但是貼片機(jī)進(jìn)行識別時(shí)會對引腳端頭的內(nèi)側(cè)進(jìn)行識別以確定是否有引腳變形發(fā)生，如果選取外側(cè)的反光點(diǎn)作為參照，拍照后貼片機(jī)識別到內(nèi)側(cè)的反光點(diǎn)時(shí)就會誤判成引腳變形，從而造成誤拋料。選擇內(nèi)側(cè)的反光點(diǎn)雖然對引腳變形的識別能力會弱一些，但是能最大程度上避免誤拋料。我們又對兩種封裝設(shè)置進(jìn)行了多次貼片機(jī)識別試驗(yàn)，印證了理論分析的結(jié)果。

最后再根據(jù)器件生產(chǎn)廠商給出的器件封裝尺寸對變壓器的封裝數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)，防止由于樣品器件的個(gè)體差異造成參數(shù)設(shè)置不標(biāo)準(zhǔn)從而造成的拋料率增高。

（五）器件放置

變壓器識別通過后還必須放置到印制板的指定位置上，由于變壓器殼體需要先穿過印制板上的開孔后變壓器引腳才與焊盤接觸，所以需要注意兩方面的問題，第一，需防止變壓器引腳還在空中，吸嘴就將器件扔掉；第二，防止萬一對位不準(zhǔn)，變壓器殼體與印制板撞擊造成器件、印制板或貼片頭損壞。

第一個(gè)問題的解決方法是修改變壓器的高度。貼片機(jī)的貼片頭判斷停止下降的位置以及何時(shí)釋放真空吸力是由設(shè)定的器件高度決定的。

如圖9所示，當(dāng)變壓器正常貼片時(shí)，變壓器高度設(shè)置為597mm時(shí)，貼片機(jī)吸嘴到達(dá)如圖所示位置時(shí)，貼片頭停止下降，釋放真空，順利完成貼片操作。

如圖10所示，當(dāng)變壓器倒置貼片時(shí)，變壓器高度設(shè)置為597mm時(shí)，貼片機(jī)吸嘴到達(dá)如圖所示位置時(shí)，貼片頭停止下降，釋放真空，變壓器會以自由落體的方式落下，將會嚴(yán)重影響貼片的精度，甚至可能造成變壓器無法落入開孔內(nèi)。

如圖11所示，當(dāng)變壓器倒置貼片時(shí)，應(yīng)將變壓器的高度設(shè)置為貼片頭端面到印制板表面的距離，如圖8所示應(yīng)該為021mm，這樣就能使變壓器在合適的時(shí)候被吸嘴放下。

第二個(gè)問題，為防止由于對位不準(zhǔn)或其他原因，變壓器貼裝過程中殼體與印制板撞擊造成損傷，應(yīng)合理設(shè)置貼片參數(shù)。貼片參數(shù)中關(guān)于貼片下降過程的設(shè)置主要有兩個(gè)，一個(gè)是Z軸下降速度，一個(gè)是緩降高度。將Z軸下降速度設(shè)置到最低值，以減少碰撞時(shí)的速度和能量；緩降高度是貼片頭端面達(dá)到設(shè)置高度時(shí)就會顯著降低下降速度。如圖12所示，將緩降高度設(shè)置為大于6mm即可達(dá)到良好的效果，從測試的情況看，在這種情況下即使發(fā)生碰撞也不會對印制板及貼片機(jī)造成損傷。

最后導(dǎo)入變壓器的坐標(biāo)值并在裸印制板上進(jìn)行試貼，從試貼的情況來看，變壓器坐標(biāo)值需要微調(diào)以保證變壓器的引腳與焊盤完全對應(yīng)。需要注意的是，當(dāng)在貼片機(jī)上調(diào)整變壓器的x、y坐標(biāo)時(shí)，如果變壓器貼裝的角度與定義的角度相比發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，需按照原定義的變壓器方向調(diào)整x、y坐標(biāo)值。

此批XX模塊進(jìn)行變壓器試貼時(shí)，變壓器的長度方向坐標(biāo)需進(jìn)行約0.2mm的調(diào)整，而當(dāng)長度方向坐標(biāo)調(diào)整0.3mm時(shí)變壓器殼體與印制板會發(fā)生碰撞，這說明要順利保證機(jī)貼，開孔在長度方向上至少要有0.3mm的余量?，F(xiàn)有的XX模塊開孔尺寸是合理的，而公司建立的標(biāo)準(zhǔn)Cadence庫開孔在長度方向上偏小（如圖13所示）。

（六）器件供料

XX模塊上使用的變壓器（TRC2019NLE）的包裝形式為管料，需使用水平供料器進(jìn)行供料。如下圖所示，將料管翻轉(zhuǎn)，使變壓器的底部朝上，將端頭位置料管的上部剪掉，長度略超過一個(gè)變壓器的長度，將毛刺修剪整齊。然后將料管剪開端朝內(nèi)裝入貼片機(jī)水平供料倉，在貼片機(jī)上設(shè)置步進(jìn)距離，直到貼片機(jī)可以順利連續(xù)取料。

需注意變壓器進(jìn)料的方向，最優(yōu)的進(jìn)料方向應(yīng)使貼片頭在取料、移動、貼片的過程中旋轉(zhuǎn)最小的角度。

（七）貼片程序調(diào)整

在進(jìn)行小批量試生產(chǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)完成貼片后，變壓器的位置貼的并不正，而且一致性較差。經(jīng)過分析Mydata貼片機(jī)的特性，判定是因?yàn)樽儔浩髻N裝后，貼片機(jī)Y平臺仍然會快速移動且加速度很大，由于變壓器相對較重，錫膏的黏度不足以保證變壓器不發(fā)生位移。為解決該問題，將變壓器的貼裝級別提高到5級，讓貼片機(jī)最后再進(jìn)行變壓器貼裝，此時(shí)變壓器就不會因?yàn)閅軸移動而偏移（貼片機(jī)默認(rèn)大型芯片最后貼，且貼裝完第一塊大型芯片后會自動降低Y軸加速度）。修改程序后，變壓器貼片精度及一致性均滿足要求。

二、鋼模的優(yōu)化

本批次的XX模塊印制板已經(jīng)制作完成，但印制板加工上存在焊盤內(nèi)收的問題，為了提高本批次產(chǎn)品變壓器的焊接可靠性，經(jīng)過分析，需對鋼模板進(jìn)行優(yōu)化。

在鋼模改進(jìn)前，如圖15所示，鋼模開孔只是向焊盤外側(cè)延伸了約0.2mm，增加了一定的錫膏量，但錫膏與變壓器引腳的接觸面積依然偏小。

改進(jìn)的方案是鋼模的開孔在原開孔的基礎(chǔ)上向焊盤內(nèi)側(cè)延伸0.15mm（注意不能延伸0.2mm，因?yàn)橛捎诩庸ひ约坝∷C(jī)對位誤差，鋼模開孔有可能對到印制板開孔區(qū)域，印刷時(shí)會造成錫膏順著縫隙流下），鋼模開孔改進(jìn)前后的印刷效果對比如下圖，可以看出焊盤內(nèi)側(cè)錫膏明顯增加。

三、印制板加工的優(yōu)化

由于本批次的XX模塊印制板已經(jīng)制作完成，焊盤內(nèi)收的問題只有等下批次產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)才能進(jìn)行改進(jìn)。目前已經(jīng)與印制板生產(chǎn)進(jìn)行過溝通，可以在不改變其他所有加工文件的前提下，僅對該變壓器焊盤進(jìn)行不內(nèi)收處理。處理前后的效果圖對比如下。

四、改進(jìn)后變壓器的焊接質(zhì)量

本批次XX模塊共生產(chǎn)了2000塊，貼片完成后可以看到變壓器的位置很正，幾乎沒有偏移或旋轉(zhuǎn)的情況出現(xiàn)，焊點(diǎn)比較飽滿，焊接效果較好，目測檢驗(yàn)以及AOI測試幾乎沒有發(fā)現(xiàn)虛焊現(xiàn)象。從調(diào)試及后續(xù)環(huán)境試驗(yàn)反饋的情況來看，對變壓器進(jìn)行返工的XX模塊只有不到10塊，比例不到1%，試驗(yàn)取得了很好的效果，在保證焊接可靠性的前提下，減少了人工放置變壓器的工序并提高了生產(chǎn)效率，也顯著降低了人工補(bǔ)焊的比例。

五、進(jìn)一步改進(jìn)方向

雖然目前的試驗(yàn)已經(jīng)取得了很好的效果，但為了實(shí)現(xiàn)更好的焊接效果以及提升焊接可靠性，除了改進(jìn)印制板加工外，還可以將鋼模設(shè)計(jì)成階梯鋼模，以進(jìn)一步增加變壓器焊點(diǎn)位置的錫膏量。

六、推廣

其他型號的倒置變壓器或是類似倒置器件均可以采用此方法進(jìn)行貼片，但在實(shí)際運(yùn)用過程中需注意以下幾點(diǎn)：

（1）器件的底部應(yīng)是封閉的且不能太重，否則現(xiàn)有貼片機(jī)無法吸取器件；如器件底部不封閉或太重，則需要貼片機(jī)廠家制造專用貼片工裝才能實(shí)現(xiàn)；

（2）印制板上的開孔尺寸應(yīng)能保證器件殼體順利通過且留有一定的余量（經(jīng)驗(yàn)值不應(yīng)小于0.2mm，如器件體積較大則應(yīng)適當(dāng)增加余量），否則貼片過程中可能會頻繁出現(xiàn)器件與印制板碰撞的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)；

（3）注意通知印制板生產(chǎn)廠家倒置器件的焊盤不要內(nèi)收（即印制板側(cè)邊可以露銅）；

（4）原手工焊接的器件在改為機(jī)貼后普遍會出現(xiàn)焊錫量不足的情況，應(yīng)對鋼模做相應(yīng)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李淑珍，等.QJ3173航天電子電氣產(chǎn)品再流焊接技術(shù)要求，2003.

[2]顧靄云，等.表面組裝技術(shù)（SMT）基礎(chǔ)與通用工藝.電子工業(yè)出版社，2014.

[3]羅道軍，等.電子組裝工藝可靠性技術(shù)與案例研究.電子工業(yè)出版社，2015.