一種微波連接器大面積接地釬焊實(shí)現(xiàn)方法

王 松，王俊峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

在航空通信、航天測控、雷達(dá)偵察領(lǐng)域的電子設(shè)備中大量應(yīng)用了微波連接器，微波連接器的結(jié)構(gòu)和制造以及裝配技術(shù)直接影響著電性能。與基板連接的微波連接器通常采用螺裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式無法使模塊的重量、體積、外形進(jìn)一步減小，同時(shí)對電路性能和加工制造也造成一定的影響。

隨著電子設(shè)備小型化、輕量化、高可靠性要求的日益提高，對模塊等單元結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化也提出了要求[1]。同時(shí)，也對微波連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相適應(yīng)的制造工藝提出了相應(yīng)的要求，根據(jù)微波連接器結(jié)構(gòu)和電路功能特征，微波連接器與基板之間通過螺釘連接，不僅容易損壞基板，而且由于連接間的空隙，L波段以上電路將會發(fā)生S參數(shù)頻率漂移、傳輸損耗增加、可靠性降低等現(xiàn)象[2,3]，并且使用螺紋連接會使得在射頻信號傳輸線路中產(chǎn)生尖端，增加微波傳輸過程中的損耗，這使得使用焊接代替螺紋連接具有重要意義。

研究使用釬焊工藝替代螺接工藝，實(shí)現(xiàn)微波連接器與基板的電和機(jī)械連接，可以使連接面圓滑、一致，可靠接觸無間隙，焊接的連接方式能夠更好地適應(yīng)高頻微波電路的要求[4]，也為微波電子產(chǎn)品的小型化、輕量化、高可靠性提供實(shí)用的工藝途徑。

2 釬焊工藝設(shè)計(jì)

2.1 試件描述

一種典型的連接器與基板垂直連接的結(jié)構(gòu)如圖1所示，基板上等間距布置4個(gè)孔安裝連接器，四周的3個(gè)孔與連接器外導(dǎo)體連接，中間的1個(gè)孔與連接器內(nèi)導(dǎo)體連接。

圖1 連接器與基板焊接示意圖

連接器與基板互聯(lián)大面積焊接，大面積焊接沒有準(zhǔn)確的尺寸定義，一般認(rèn)為焊接面積大于1 cm2就是大面積焊接，焊接工藝流程為：（1）在基板正面印刷焊膏；（2）使用大面積焊接工藝把連接器的外導(dǎo)體底座焊接到基板正面；（3）使用X射線工藝檢驗(yàn)大面積焊接釬透率。

2.2 印刷網(wǎng)版設(shè)計(jì)

考慮批量生產(chǎn)的方便性，筆者采用和SMT工藝相同的方法在基板上印刷焊膏，焊膏的圖形設(shè)計(jì)參考連接器接地底座外形，在接地底座的外形基礎(chǔ)上外擴(kuò)0.4 mm，如圖2所示，同時(shí)制作了0.13 mm和0.15 mm的不銹鋼網(wǎng)版，供試驗(yàn)印刷焊膏使用。

圖2 印刷網(wǎng)版圖形

2.3 焊接方法及參數(shù)設(shè)計(jì)

焊膏印刷完成后，把連接器手動(dòng)安裝在基板上，并把連接器扶正。為了實(shí)現(xiàn)大面積焊接，需要加熱焊膏，使錫膏熔化，加熱焊膏的方法主要有三種：（1）電烙鐵加熱；（2）電阻焊加熱；（3）感應(yīng)焊加熱。

（1）電烙鐵加熱

使用電烙鐵加熱需要自制鏟形烙鐵頭，并且使用大功率烙鐵，經(jīng)過測試，由于連接器散熱面積過大，使用電烙鐵需要5 min以上才能使焊錫熔化，并且由于熱量不足，溫度上升速度慢，不能形成良好的焊縫，焊接效果不佳，使用電烙鐵加熱達(dá)不到大面積焊接工藝的要求。

（2）電阻焊加熱

為了增大加熱功率，筆者采用了電阻焊方法加熱，設(shè)計(jì)如圖3所示的兩個(gè)哈夫夾頭。焊接時(shí)，把夾頭夾在連接器根部靠近底座的位置，兩個(gè)夾頭之前保留一定間隙，通電，夾頭和連接器之間的接觸電阻最大，發(fā)熱量最高，經(jīng)過測試，2 500 W電阻焊機(jī)在50%功率下通電15 s焊膏開始熔化，20 s完成焊接。

圖3 電阻焊夾頭

此外，在使用電阻焊的過程中特別注意夾頭和連接器接觸面需要光滑，無點(diǎn)接觸，否則極易產(chǎn)生尖端放電，打火燒傷連接器和電阻焊夾頭。

（3）感應(yīng)焊加熱

為了進(jìn)一步提高加熱功率和焊接效率，筆者還采用了感應(yīng)焊加熱。感應(yīng)焊加熱需要設(shè)計(jì)感應(yīng)加熱線圈（如圖4），由3個(gè)U形組成。工作時(shí)，把線圈的凹槽放到連接器根部，不與連接器接觸。通高頻電流時(shí)，產(chǎn)生高頻磁場，在連接器、焊盤、焊膏中由于渦流的作用發(fā)熱，經(jīng)過測試，使用5 kW的感應(yīng)焊機(jī)在48%的功率下3.5 s焊料開始熔化，6 s完成焊接。

圖4 感應(yīng)焊線圈

在焊接試驗(yàn)中，分別使用了0.13 mm和0.15 mm的印刷網(wǎng)版，使用0.13 mm網(wǎng)版時(shí)，焊接完成后在底座的周圍容易產(chǎn)生縫隙；而使用0.15 mm網(wǎng)版時(shí)，增加焊料，底座周圍產(chǎn)生縫隙的情況大大減少。此外，連接器和基板的垂直度也直接影響焊接縫隙的產(chǎn)生。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 外觀分析

經(jīng)過多次試驗(yàn)，只要選用合適的焊接參數(shù)，電阻焊和感應(yīng)焊均能夠較快地加熱使焊料熔化完成焊接，兩種焊接方法完成連接器焊接的焊縫照片如圖5所示，焊縫連續(xù)，無縫隙，潤濕情況良好。

圖5 焊縫外觀

3.2 X射線釬透率分析

釬透率是衡量大面積釬焊效果的重要指標(biāo)，大面積釬焊的釬透率不僅影響連接強(qiáng)度，更重要的是影響連接器的接地性能，從而影響微波連接器的整體指標(biāo)。

圖6 電阻焊X射線圖像

圖7 感應(yīng)焊X射線圖像

電阻焊和感應(yīng)焊完成的連接器X射線圖像分別如圖6和圖7所示，其中（a）圖像是焊接效果較好、氣孔率較低的圖像，（b）圖像是焊接效果稍差、氣孔較多的圖像，兩組測試使用的焊接參數(shù)相同，焊接順序有差異。

從圖中可以看到，兩種焊接方法焊接連接器后使用X射線檢測，焊料熔化潤濕的情況都比較好，氣孔很少并且分散，估算焊盤中間稀疏氣孔的面積，焊接釬透率均大于90%。

分析相同焊接參數(shù)焊接的連接器在X射線檢測時(shí)釬透效果有差異的原因：

（1）焊接連接器時(shí)，操作者用手扶正連接器并施加一定壓力，連接器的垂直程度和施加壓力的大小將影響焊接效果；

（2）使用感應(yīng)焊或者電阻焊時(shí)，感應(yīng)線圈與連接器距離以及電阻焊夾頭與連接器之間的接觸電阻變化會影響熱量的產(chǎn)生，從而影響焊接效果；

（3）焊料在空氣中放置時(shí)間的長短會影響焊料吸收空氣中水汽的多少，這將直接影響焊接面上氣泡的多少。

綜合以上三條，為了獲得更好的焊接面，需要控制焊料、操作要領(lǐng)和焊接參數(shù)等整個(gè)工藝過程。

3.3 抗拉試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上連接器兩種焊接方法獲得的焊縫強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗拉強(qiáng)度不小于120 N的要求，參考GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法，隨機(jī)選取了電阻焊連接器和感應(yīng)焊連接器各6組試樣進(jìn)行了拉力測試，所有測試結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，具體測試數(shù)據(jù)見表1。測試工裝如圖8，拉力測試機(jī)如圖9。

表1 連接器焊接面抗拉測試數(shù)據(jù)表（單位：N）

圖8 拉力測試工裝

圖9 拉力測試機(jī)

4 結(jié)論

電阻焊焊接和感應(yīng)焊焊接均能夠?qū)崿F(xiàn)微波連接器大面積接地焊接的要求，通過設(shè)定焊接參數(shù)，可以獲得基本一致的焊接效果。

電阻焊焊接是接觸式焊接，需要電阻焊夾頭和連接器緊密接觸，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接；感應(yīng)焊是非接觸焊接，允許感應(yīng)線圈和連接器之間有1～2 mm間隙，使定位要求大大降低，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接提供了可能。

[1] 李曉艷，等.微波功能模塊溫度階梯焊工藝技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2008，48（1）：113-116.

[2] Terry Harper,Wayne Kennan,NortheK Osbrink.In search of $300 T/R moudle[J].Microwave Journal March,1986,29: 48-57.

[3] 王聽岳.微波電路組裝工藝研究[J].電子工藝技術(shù)，1999，20（5）：190-193.

[4] 湯俊，等.大面積軟釬焊中的阻焊技術(shù)[J].電子機(jī)械工程，2000，2：59-62.