微波組件殼體激光焊接技術(shù)的研究

朱瑋濤，張海兵，吳蘇興，鄺小樂

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

微波組件殼體激光焊接技術(shù)的研究

朱瑋濤，張海兵，吳蘇興，鄺小樂

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

結(jié)合微波T/R組件更小、更輕、更可靠的發(fā)展方向，對(duì)微波組件殼體材質(zhì)、氣密性焊接技術(shù)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)討論了激光焊接密封的關(guān)鍵技術(shù)，并通過鋁合金殼體的激光焊接試驗(yàn)對(duì)影響鋁合金焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行了研究。

微波組件；鋁合金；激光焊接

0 引 言

隨著有源相控陣技術(shù)在航海、航天等領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用和飛速發(fā)展，其成千上萬個(gè)微波T/R組件質(zhì)量的一致性和可靠性是保證電子設(shè)備性能的關(guān)鍵。由于空間運(yùn)轉(zhuǎn)等特殊環(huán)境的需要，相控陣?yán)走_(dá)對(duì)微波組件提出了體積小、重量輕的發(fā)展方向。因此，采用裸芯片的微波組件因其在體積及重量方面的優(yōu)勢(shì)已成為目前微波組件發(fā)展的主要方向，并逐漸取代傳統(tǒng)的模塊式T/R組件產(chǎn)品，而這些組件產(chǎn)品大都具有氣密性封裝的要求。本文主要從微波組件的殼體、氣密性焊接技術(shù)以及激光焊接密封的關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行研究，并通過焊接試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)及失效機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 微波組件殼體

隨著組件微小型化的發(fā)展趨勢(shì)，多種裸芯片正廣泛應(yīng)用于微波組件中。而為了確保裸芯片與外界環(huán)境隔絕，避免外界有害氣體及雜物的侵襲，限制封裝腔體內(nèi)的水汽含量，并對(duì)自由粒子實(shí)現(xiàn)有效的控制等，必須采用堅(jiān)固、耐腐、易密封、可靠性較高的殼體對(duì)微波器件進(jìn)行氣密性封裝[1]。

常用的微波組件的殼體材質(zhì)有：銅、鋁合金和可伐(Kovar)等材料。如表1所示為常用殼體材料的物理特性。銅材質(zhì)由于密度大、導(dǎo)熱性能較高，常被應(yīng)用于散熱要求較高、重量要求不大的模塊封裝殼體?？煞ズ辖鸩馁|(zhì)(4J29)含Ni29%、Co17%的硬玻璃鐵基合金，在較寬的溫度范圍內(nèi)(-80 ℃～450 ℃)內(nèi)具有與硬玻璃相近的線膨脹系數(shù)，可良好的封接匹配，該合金的氧化膜致密，容易實(shí)現(xiàn)焊接和熔接，并具有良好的可塑性和切削加工性能；作為電子封裝行業(yè)中最常用的金屬外殼材料，被廣泛地應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)T/R組件、放大器、微波組件、電子管、晶體管和集成電路中做引線和結(jié)構(gòu)材料[2]。相比于鋁合金其焊接性能更好，但密度較大，散熱性較差，在一些特殊環(huán)境下使用受到一定的限制。

鋁合金材因具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)、無磁性、成形性好以及低溫性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中。常用于制作微波組件殼體的主要有4系和6系等鋁合金材料。

表1 常用殼體材料的物理特性材質(zhì)密度

另外，為提高封裝材料的可焊性和耐腐蝕性，可在封裝殼體和蓋板表面進(jìn)行鍍鎳、鍍鎳金和鍍錫鉍化學(xué)處理，而應(yīng)用較多的主要是在殼體表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳金。在航海等環(huán)境惡劣的領(lǐng)域?qū)饷苄砸蟾?，可在殼體氣密封蓋后再涂覆三防漆，以具備抗酸堿鹽等特殊環(huán)境的要求。

2 氣密性焊接技術(shù)

氣密性封裝主要是為了避免殼體內(nèi)的裸芯片、互聯(lián)引線及集成電路等與外部空氣接觸，以減少空氣中的水汽、雜質(zhì)和各種化學(xué)氣氛對(duì)芯片的污染和腐蝕。目前，常見的密封方式有環(huán)氧粘接密封、焊料焊接密封、平行縫焊密封和激光焊接密封。

2.1 環(huán)氧粘接密封

環(huán)氧粘接密封方式是最為普遍的密封方法，通過使用環(huán)氧膠將盒體和蓋板粘接在一起，經(jīng)過高溫固化的方式達(dá)到盒體的密封效果。該方法操作方便, 但容易返工, 且無法保證盒體內(nèi)部水汽含量和長(zhǎng)期氣密性。

2.2 焊料焊接密封

焊料焊接是一種常用的密封方法，具有工作速度快、成品率高、重復(fù)性好和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。通常采用SnPb、InAg和BiSn等錫焊焊料進(jìn)行密封。而對(duì)于氣密性要求更高的產(chǎn)品，多采用共晶金錫合金焊料進(jìn)行焊接。例如，Au80Sn20合金具有良好的浸潤(rùn)性，而且對(duì)鍍金層的浸蝕程度很低，同時(shí)也沒有銀的遷徙現(xiàn)象，還具有高耐腐蝕性、高抗蠕變性和良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性[3]。因此，Au80Sn20焊料被廣泛用于大功率電子器件的芯片焊接和高可靠電路的氣密性封裝，但焊料焊接密封對(duì)操作人員、殼體設(shè)計(jì)要求較高，稍有不當(dāng)，就容易產(chǎn)生多余物。

2.3 平行縫焊密封

平行縫焊是采用平行相向運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)電極與殼體管帽點(diǎn)接觸。因電流通過接觸點(diǎn)時(shí)的電阻很大，根據(jù)電流通過時(shí)使導(dǎo)體發(fā)熱的原理，在電極與殼體管帽相接觸的地方產(chǎn)生很高的熱量，達(dá)到可伐材料熔化的溫度，使被焊接的材料熔化，從而完成焊接。其優(yōu)勢(shì)在于局部加熱對(duì)芯片熱沖擊小且當(dāng)生產(chǎn)批量較大時(shí)使用平行縫焊工藝技術(shù)成熟、生產(chǎn)效率高、成品率最高，但其對(duì)殼體結(jié)構(gòu)有一定要求，蓋板必須位于底座上，而且邊緣基本與底座邊緣齊平，只能應(yīng)用于高電阻材料的矩形或者圓形等規(guī)則形狀的氣密封裝。

2.4 激光焊接密封

激光氣密性焊接技術(shù)是激光技術(shù)近年來發(fā)展起來的新型應(yīng)用，其原理是將高強(qiáng)度激光束直接輻射至材料表面，通過激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實(shí)現(xiàn)焊接。激光封焊密封技術(shù)針對(duì)組件產(chǎn)品使用鋁合金等輕量化的材料及異形結(jié)構(gòu)的外形要求，具有焊縫窄、非接觸、清潔無污染、美觀、可靠性高；功率密度高、作用時(shí)間短、熱影響區(qū)小，可耐真空冷熱浸和真空冷焊實(shí)驗(yàn)；熔深較深，承載能力強(qiáng)；水氧含量可控；氣密性封裝效果優(yōu)良，重復(fù)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，非常適合對(duì)微波組件進(jìn)行密封。

下面重點(diǎn)對(duì)激光氣密性焊接技術(shù)進(jìn)行討論。

3 激光焊接密封關(guān)鍵技術(shù)

3.1 激光焊接技術(shù)分類

根據(jù)激光對(duì)工件的作用方式，激光焊可分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊。按實(shí)際作用在工件上的功率密度的高低，激光焊接分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊兩種形式。熱傳導(dǎo)焊的激光功率密度為105W/cm2～106W/cm2，其主要特點(diǎn)是激光光斑的功率密度小、光的吸收率較低、焊接熔深淺且速度慢，主要用于薄(厚度<2.54 mm)小焊件的焊接加工；深熔焊采用的功率密度為106～107W/cm2。這兩種激光焊接方式與功率密度、作用時(shí)間、材料性質(zhì)和焊接方式等因素有關(guān)。當(dāng)激光功率密度較低、作用時(shí)間較長(zhǎng)而焊件較薄時(shí)，通常是以熱傳導(dǎo)焊機(jī)理為主進(jìn)行焊接的，反之則是以深溶焊機(jī)理為主進(jìn)行焊接[5]。

3.2 激光焊接的主要工藝參數(shù)

脈沖激光焊有5個(gè)主要焊接參數(shù)：脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀、功率密度和離焦量。

(1) 脈沖能量

脈沖能量決定了加熱能量大小，主要影響金屬的熔化量。它主要取決于材料的熱物理性能，特別是熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)，導(dǎo)熱性好、熔點(diǎn)低的金屬易獲得較大的熔深。

(2) 脈沖寬度

脈沖寬度主要影響熔深，進(jìn)而影響接頭強(qiáng)度。脈沖能量一定時(shí)，不同的材料均存在一個(gè)最佳脈沖寬度，此時(shí)焊接熔深最大。脈沖加寬，熔深逐漸增加，當(dāng)脈沖寬度超過某一臨界值時(shí)熔深反而下降。

(3) 脈沖形狀

材料的反射率隨工件表面溫度的變化而變化，而脈沖形狀對(duì)材料的反射率有間接影響。對(duì)于低重復(fù)頻率焊接可采用帶前置尖峰的激光脈沖波形，前置尖峰有利于對(duì)工件的迅速加熱，以改善材料的吸收性能，提高能量的利用率。對(duì)于高重復(fù)頻率的焊接可采用光強(qiáng)基本不變的平頂波，而對(duì)于易產(chǎn)生熱裂紋和冷裂紋的材料采用三階段激光脈沖，使工件經(jīng)歷預(yù)熱——熔化——保溫的變化過程。

(4) 功率密度

在脈沖激光焊中，為避免焊點(diǎn)金屬的過量蒸發(fā)與燒穿，應(yīng)合理地控制輸入到焊點(diǎn)的功率密度。功率密度：

式中，E為激光能量；d為光斑直徑；tp為脈沖密度。因此，對(duì)功率密度的調(diào)節(jié)可通過改變脈沖能量、光斑直徑、脈沖寬度以及激光模式等實(shí)現(xiàn)。

(5) 離焦量

離焦量F(也稱為入焦量)是指焊接時(shí)焊件表面離聚焦激光束最小斑點(diǎn)的距離。激光束通過透鏡聚焦后，有一個(gè)最小光斑直徑，如果焊件表面與之重合，則F=0；如果焊件表面在它下面，則F>0，稱為正離焦量；反之則F<0，稱為負(fù)離焦量。通常，要增大熔深時(shí)可采用負(fù)離焦，而對(duì)于焊接薄材料時(shí)則宜采用正離焦。

3.3 影響激光焊接質(zhì)量的主要因素

(1) 工藝參數(shù)影響

激光功率是決定焊縫熔深的主要因素。峰值功率較小時(shí)，提供的焊接熱量不足，蓋板和殼體不能相互熔合形成密封接頭，易出現(xiàn)焊縫未熔合現(xiàn)象；峰值功率較大時(shí)，易引起焊縫熔池金屬大量蒸發(fā)汽化，強(qiáng)大的蒸汽壓力造成熔池金屬飛濺，易將殼體部分的鋁合金焊塌。

脈沖寬度決定加熱時(shí)間，影響熔深和熱影響區(qū)。脈寬越寬，熔深越大，而其熱影響區(qū)域就會(huì)越大。焊接薄板時(shí)，不宜使用太大的脈寬，否則可能導(dǎo)致蓋板變形較大而不能與殼體焊接在一起，增加熱應(yīng)力。為了增加熔深，可適度增加脈寬。

脈沖重復(fù)頻率影響焊縫的成型。脈沖重復(fù)頻率增加，兩相鄰焊點(diǎn)熔池間的間距減小，相互重疊區(qū)域變大，有利于內(nèi)部裂紋的消除及晶粒的細(xì)化，使焊縫質(zhì)量提高。脈沖頻率選擇應(yīng)與焊接速度相匹配，以提高焊接接頭的致密性；為保證激光焊接的密封性，焊點(diǎn)重疊率需達(dá)到70%以上。

(2) 其他影響因素

焊接工裝夾具是試驗(yàn)件裝配定位和獲得良好焊縫的重要保證。由于焊接的軌跡為封閉環(huán)型，為避免焊接時(shí)的應(yīng)力集中導(dǎo)致蓋板的翹曲，需設(shè)計(jì)合理的夾具固定工件，確保殼體與蓋板裝配的平整度，同時(shí)也可有效避免和減少影響激光束焦點(diǎn)位置穩(wěn)定性的因素。

密閉的焊接環(huán)境是保障獲得較佳效果的必要條件。焊接過程中，采用氣體保護(hù)有如下作用：(1)保護(hù)光學(xué)器件不被污染，(2)保護(hù)工件表面不被氧化，(3)驅(qū)除等離子體。

鋁合金盒體的自身缺陷也是影響焊接質(zhì)量的重要因素，如：(1)鋁合金對(duì)激光束的初始反射率高及自身的高導(dǎo)熱性，使鋁合金在未熔化前對(duì)激光的吸收率低；(2)鋁的電離能低，焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴(kuò)散，使得焊接穩(wěn)定性差；(3)焊接過程中易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋；(4)合金元素在焊接過程中的燒損可導(dǎo)致焊接處力學(xué)性能下降。

4 鋁合金殼體激光焊接試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

盒體與蓋板材料分別采用牌號(hào)為6061和4A11鋁合金，表面進(jìn)行本色導(dǎo)電氧化處理，蓋板與盒體采用緊配合。盒體樣品及尺寸(單位：mm)如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備選用300W激光器，在氮?dú)庋h(huán)的手套箱環(huán)境中進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

圖1 激光焊接盒體尺寸及盒體樣品

4.2 脈沖焊與連續(xù)波激光焊接

采用同樣的鋁合金盒體，分別用脈沖式激光器和連續(xù)波激光器進(jìn)行焊接，焊接效果如圖2、3所示。采用脈沖式焊接的焊斑紋理清晰，而采用連續(xù)波焊接的焊斑密集，由于焊接速度快于脈沖式，其散熱效果也較差，在焊縫邊角處出現(xiàn)有焦灼焊斑現(xiàn)象。

圖2 脈沖激光焊接樣品效果

圖3 連續(xù)波激光焊接樣品效果

4.3 脈沖激光焊接工藝參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)比

在激光焊接過程中，工藝參數(shù)是影響焊接效果的直接因素。通常在新品階段必須對(duì)焊接樣品進(jìn)行多次的試驗(yàn)對(duì)比分析，以獲取合適的工藝參數(shù)。因此，試驗(yàn)中選取鋁合金。

表2 樣品主要工藝參數(shù)表

圖4所示為焊接后的效果：1號(hào)盒體前半段試焊采用3.3J能量，明顯感覺焊縫過寬；后半段調(diào)整為1.9J后焊縫變窄，但有盒體焊接過程中均有微裂紋存在。2號(hào)盒體焊接前將焊接表面用砂紙打磨，去除氧化層，并適當(dāng)調(diào)整了工藝參數(shù)，焊接的效果較為美觀，無明顯裂紋存在。3號(hào)盒體采用了負(fù)離焦，加大了能量，降低了速度，以便熔接更透徹，結(jié)果焊接過程中有鋁渣飛濺，并伴有黑煙，焊縫效果較差，有氣孔和裂紋產(chǎn)生。4號(hào)樣品在3號(hào)基礎(chǔ)上降低了能量增加了出光頻率，但焊縫效果一般，焊接后仍有裂紋出現(xiàn)。

圖4 不同工藝參數(shù)下脈沖激光焊接的效果

4.4 失效分析

在激光焊接試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的主要失效形式有氣孔凹陷、裂紋、熔邊等，如圖5所示。

氣孔凹陷是常見的鋁合金激光焊接缺陷，產(chǎn)生的主要原因?yàn)楹附訁^(qū)表面污染物，如殘余的油脂和助焊劑在縫焊的過程中產(chǎn)生的影響。另外，保護(hù)氣體中氫氣的填充或熔化的金屬來不及填充凹陷，亦能導(dǎo)致空洞。改善的方法主要是在焊接前對(duì)焊接表面進(jìn)行清理，以及在真空環(huán)境中進(jìn)行焊接。焊接裂紋主要是熱裂紋，6系鋁合金裂紋敏感性大，結(jié)晶裂紋是焊縫金屬結(jié)晶時(shí)在柱狀晶邊界形成Al- Si、Mg-Si、Al-Mg2Si 等低熔點(diǎn)共晶導(dǎo)致[6]，可通過采用填絲或預(yù)置合金粉末等方法進(jìn)行激光焊接。另外，調(diào)節(jié)脈沖波形、控制熱輸入也可減小結(jié)晶裂紋。熔邊現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于工藝參數(shù)調(diào)節(jié)不當(dāng)所致，可通過減小輸出能量、選用合適的焦點(diǎn)位置和出光頻率來得到改善。

(a) 裂紋 (b) 熔邊 (c) 熔邊切面分析

5 結(jié)束語

微波T/R組件的輕、小、高可靠的要求，對(duì)組件的殼體和氣密性焊接工藝帶了一定的挑戰(zhàn)。殼體多采用鋁合金材質(zhì)以達(dá)到質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好的效果；采用激光焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高可靠的氣密性封裝需求。在激光焊接過程中，工藝參數(shù)是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。另外，鋁合金殼體材質(zhì)因自身缺陷等對(duì)激光焊接質(zhì)量具有一定的影響。因此，在激光焊接時(shí)如何克服鋁合金材質(zhì)的缺陷，調(diào)整適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

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Research on laser welding technology for microwave modules

ZHU Wei-tao, ZHANG Hai-bin, WU Su-xing, KUANG Xiao-le

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The materials of microwave modules and the hermetical welding technology are analyzed in combination with the development requirements of smaller, lighter and more reliable microwave T/R modules, with an emphasis on the key technologies of laser sealed welding. In addition, the factors that influence the welding quality of the aluminum alloys are studied through the laser welding test of the aluminum alloys.

microwave module; aluminum alloy; laser welding

2013-12-23；

2014-01-13

朱瑋濤(1986-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：微組裝工藝技術(shù)；張海兵(1977-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：微波電路及雷達(dá)總體技術(shù)；吳蘇興(1982-)，男，工程師，研究方向：微波電路設(shè)計(jì)與封裝工藝技術(shù)；鄺小樂(1986-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：微組裝工藝技術(shù)的研究。

TG456.7

A

1009-0401(2014)01-0053-05