一種混合工藝型微波密封腔體的研制

王　辰，陳　侃，鄭冬俠

（中國電子科技集團(tuán)公司第40研究所，安徽蚌埠233010）

一種混合工藝型微波密封腔體的研制

王辰，陳侃，鄭冬俠

（中國電子科技集團(tuán)公司第40研究所，安徽蚌埠233010）

射頻連接器在集成電路中的應(yīng)用越來越廣泛，射頻連接器界面的復(fù)雜性決定了具有射頻絕緣子的腔體的加工難度。介紹了一種兼具饋電絕緣子及射頻絕緣子的微波密封腔體的研制。根據(jù)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，拋棄了以往單一方法的制造工藝，結(jié)合了燒結(jié)與焊接的工藝特點(diǎn)，使用了混合工藝加工，解決了模具設(shè)計(jì)及工藝問題。經(jīng)測試，該密封腔體中射頻絕緣子電壓駐波比（VSWR）小于1.2@40 GHz，插入損耗≤0.7 dB，泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s。

微波密封腔體；焊接；燒結(jié)；混合工藝

1　引言

隨著我國空間及電子技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)趨于整體化、小型化，集成電路也向整合化方向發(fā)展，射頻連接器在集成電路中的使用愈加廣泛，與之配套的腔體也向整合化方向發(fā)展。

以往研制的腔體結(jié)構(gòu)均比較簡單，其絕緣子種類單一，制作工藝也相對簡單。該產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)特殊，考慮性能及成本的因素，以往單一工藝無法滿足要求，需采用混合型工藝，即使用燒結(jié)工藝與焊接工藝混合加工。該產(chǎn)品的研制拓寬了未來研發(fā)的思路，為探索生產(chǎn)氣密封型腔體提供了經(jīng)驗(yàn)。

2　產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如下：

特性阻抗：50 Ω；

頻率范圍：0.01 GHz～40 GHz；

電壓駐波比（VSWR）：小于1.2@40 GHz；

泄漏率：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，示蹤氣體泄漏率≤1× 10-3Pa·cm3/s；

射頻插入損耗：≤0.7 dB；

絕緣電阻：不小于2000 MΩ。

3　基本結(jié)構(gòu)

圖1　所需微波密封腔體基本結(jié)構(gòu)

該類產(chǎn)品從工藝上分為燒結(jié)式和焊接式，對應(yīng)的從結(jié)構(gòu)上分為一體式和分體式。一體式微波密封腔體采用燒結(jié)工藝一次加工；分體式微波密封腔體則是先燒結(jié)玻璃絕緣子，后焊接至殼體。

3.1分體式微波密封腔體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

分體式結(jié)構(gòu)一般用于絕緣子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腔體。

分體式微波密封腔體是由玻璃絕緣子和腔體構(gòu)成，先將玻璃絕緣子燒結(jié)成型，再通過焊接連接至腔體上，見圖2。此種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的特點(diǎn)是零件加工容易，SMP、SMA等絕緣子均可使用，但玻璃絕緣子與腔體焊接后相對于一體式結(jié)構(gòu)一致性及密封性差。原因在于焊接時(shí)易出現(xiàn)空洞、氣泡、開裂，而且焊料易堆積、溢出，影響絕緣子電性能，若溢出到玻璃表面會造成產(chǎn)品報(bào)廢。

圖2　分體式封接結(jié)構(gòu)圖

3.2一體式微波密封腔體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一體式結(jié)構(gòu)與分體式相比，玻璃直接與腔體封接形成一體，生產(chǎn)流程簡單，產(chǎn)品氣密性好（見圖3），適用于密封微波連接腔體。但通常外殼采用可伐合金，加工性能與不銹鋼類似，產(chǎn)品尺寸越小，界面越復(fù)雜，加工難度越大。所以一體結(jié)構(gòu)的模具加工與定位難度大。

由于用戶選用的射頻絕緣子為半擒縱式SMP，且腔體同時(shí)還有若干饋電絕緣子，若單純采用分體式的焊接工藝勢必會增加成本，加大了裝配的難度。而單純采用一體式的燒結(jié)工藝則由于機(jī)加工工藝的限制，無法保證半擒縱式SMP界面尺寸。玻璃的液相溫度遠(yuǎn)高于焊片的液相溫度，故先分別燒結(jié)射頻絕緣子及與外殼腔體一體的饋電絕緣子，對燒結(jié)好的兩種零件鍍金處理，再將兩種零件焊接成完整腔體。

圖3　一體式封接結(jié)構(gòu)圖

圖4　生產(chǎn)流程

4　設(shè)計(jì)

4.1材料選用

該產(chǎn)品同時(shí)具有饋電及射頻兩種絕緣子，其中射頻絕緣子材料選用微波用玻璃，饋電絕緣子材料采用DM308玻璃粉，絕緣子引出線及腔體外殼均使用與玻璃膨脹系數(shù)相近的4J29可伐合金。

由于需要保證零件的密封性能，焊接部分選用適用于氣密封焊接的金錫焊料，該焊料對鍍金層的浸蝕程度低，具有高耐腐蝕性及良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性。

4.2結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

射頻部分用戶選用SMP型射頻同軸連接，界面為半擒縱，玻璃絕緣子的尺寸設(shè)計(jì)可以參照射頻絕緣子尺寸的設(shè)計(jì)方法。

Z：特性阻抗；εr：相對介電常數(shù)；D：玻璃安裝孔內(nèi)徑；d：引出線外徑。

引出線外徑d=0.38 mm，玻璃的相對介電常數(shù)εr=4，本腔體要求的特性阻抗Z為50 Ω，根據(jù)公式（1），取值D=φ2 mm。

驗(yàn)證截止頻率。頻率范圍為：0.01 GHz～40 GHz，使用公式（2）計(jì)算：

fc：截止頻率；C0：光速；εr：相對介電常數(shù)；D：玻璃安裝孔內(nèi)徑；d：引出線外徑。

帶入D=φ2 mm，d=φ0.38 mm，計(jì)算得截止頻率= 40.09 GHz＞40 GHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

界面尺寸則參考GJB5246-2004設(shè)計(jì)。安裝孔尺寸則根據(jù)SMP絕緣子外殼尺寸及焊接需求適配，滿足焊接的牢固性及氣密封性。

5　零件及燒結(jié)模具加工

封裝外殼通常選用可伐合金，可伐合金硬度大且粘度高，加工刀具易斷裂，絕緣子焊接安裝孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸小，且安裝孔內(nèi)需預(yù)留0.4 mm深的焊片槽，所以加工難度大。為解決安裝孔及焊片槽的加工問題，我們選用專用刀具進(jìn)行加工，并將鏜孔工藝細(xì)化，保證安裝孔的尺寸。

燒結(jié)模具材料采用高純石墨，具有成本低、易加工、高溫下不易變形且與金屬和玻璃不粘的特性。該腔體中射頻絕緣子對同軸度要求高，石墨材料軟，加工精度難控制，且加工小尺寸零件邊角易崩，故選用較為致密的進(jìn)口石墨材料，在加工零件時(shí)，控制車床及銑床的轉(zhuǎn)速，避免小尺寸位置崩角。

6　玻璃燒結(jié)

本腔體燒結(jié)使用氣體保護(hù)鏈?zhǔn)綗Y(jié)爐，爐內(nèi)充入氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，防止零件氧化。

該產(chǎn)品在燒結(jié)過程中存在的難點(diǎn)及攻關(guān)：

（1）引出線的一致性。由于該密封腔體饋電絕緣子較多，裝配過程中極易造成引出線的晃動，導(dǎo)致引出線偏心，絕緣電阻不合格。對此，我們減小了引出線與石墨模的配合間隙，并將引出線一端固定，防止引出線竄動。

（2）玻璃表面一致性。該產(chǎn)品饋電絕緣子和射頻絕緣子的體積均較小，玻璃坯重量輕，加工時(shí)重量一致性控制難度大。為此，我們提高了玻璃坯制造模具的精度，解決了一致性差的問題，提高了成品率。

（3）射頻絕緣子同軸度。在前期的射頻絕緣子生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品電性能差，究其原因是模具設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)品同軸度差。對此我們改進(jìn)了石墨模的設(shè)計(jì)，采用兩端定位的方法，并加嚴(yán)了石墨模的同軸度，改進(jìn)機(jī)加工工藝。經(jīng)多次試驗(yàn)，產(chǎn)品電性能穩(wěn)定，良品率大大提高。

7　表面處理

為保證可焊性，產(chǎn)品表面為鎳底鍍金，并采用雙脈沖電鍍的方法處理。雙脈沖電鍍波形為雙向脈沖，鍍層均勻、致密，保證了腔體封焊后的密封性和耐腐蝕性。

8　焊接

該產(chǎn)品焊料選用金錫焊料。焊片的選用與焊接面的平整度是相互關(guān)聯(lián)的，若產(chǎn)品焊接面直接間隙小，則不需要很多的焊料即可浸潤，該產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)限制，焊接面之間留有一定的間隙，就需要采用較厚的焊片才能實(shí)現(xiàn)氣密性封裝，通過使用多款焊片試驗(yàn)，最終選用0.3 mm焊片焊接。

將焊片、腔體及射頻絕緣子放在乙醇中超聲波清洗5～6 min，取出用干燥的氮?dú)獯蹈桑コ慵砻嫖畚?。將焊片及射頻絕緣子依次裝入腔體外殼，為避免在焊片熔融狀態(tài)下浮動，在射頻絕緣子上放置適當(dāng)?shù)氖珘簤K，放置時(shí)應(yīng)小心，以免污染焊片及焊接面。零件放入氮?dú)獗Ｗo(hù)鏈?zhǔn)綘t中，經(jīng)升溫、保溫、降溫，完成焊接過程。產(chǎn)品在焊接前表面已鍍金，為不影響金層，液相溫度以上時(shí)間應(yīng)控制在3 min～5 min。

圖5　焊接溫度曲線

9　試驗(yàn)及測試

該產(chǎn)品完成之后，我們按照該產(chǎn)品《詳細(xì)規(guī)范》中的要求對各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)和驗(yàn)證。插入損耗按照GJB 976A-2009中4.5.14測試，10支樣品均滿足要求。絕緣電阻、鹽霧試驗(yàn)及泄漏率分別按照GJB548A方法1003、方法1009A及方法1014A測試，經(jīng)過測試，10支樣品均可達(dá)到性能要求。

樣品完成后，我們對其電壓駐波比及插入損耗做了測試，測試曲線如圖6，從曲線中可以看出，產(chǎn)品該項(xiàng)性能也符合要求。

圖6　電壓駐波比及插入損耗測試曲線

10　結(jié)論

該產(chǎn)品通過試驗(yàn)、測試、樣品階段，各項(xiàng)指標(biāo)均符合用戶要求，現(xiàn)階段生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，已生產(chǎn)多個(gè)批次，合格率達(dá)到90%以上，目前已開發(fā)同類產(chǎn)品，保證了科研生產(chǎn)的穩(wěn)定。

［1］姚立華.采用金錫合金的氣密性封裝工藝研究［J］.電子工藝技術(shù)，2010（9）:267-270.

［2］GJB5246-2004.射頻連接器界面［S］.

［3］韓強(qiáng).對玻璃與金屬封裝外殼氣密性的認(rèn)識［J］.電子與封裝，2003（9）:49-52.

［4］胡樹豪.實(shí)用射頻技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［5］費(fèi)思.金屬與玻璃的封裝［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1961.

［6］孫婷婷.射頻連接器中絕緣子設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2004（6）:17-20.

The Development of a Hybrid-technique-manufactured Microwave Sealed Cavity

WANG Chen，CHEN Kan，ZHENG Dongxia
（China Electronics Technology Group Corporation No.40 Research Institute，Bengbu 233010，China）

The use of RF connector in integrated circuit is wide.However，the complexity of the interface of the RF connector determines the degree of difficulty of manufacturing the housing that contains RF insulators.In this article，the development of a microwave sealing housing that contains feeder insulators and RF insulators is introduced.Given the structure characteristics and technique requirements of this product，it discards the old unitary manufacturing processes，integrates the craft characteristics of sintering and soldering，uses hybrid manufacture techniques，and solves the issues regarding the moulding design and processing.Through testing，the results below regarding the RF insulators in this sealing housing are found，VSWR is less than 1.2@40 GHz，insertion loss is equal to or less than 0.7 dB，leakage rate is equal to or less than 1×10-3Pa·cm3/s.

microwave sealed cavity；sintering；soldering；hybrid manufacture techniques

TN305.94

A

1681-1070（2016）05-0014-04

2016-1-21

王辰（1988—），男，安徽蚌埠人，畢業(yè)于安徽工程大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第40研究所從事金屬玻璃封裝產(chǎn)品的研發(fā)工作。