微波模塊鋁合金殼體激光封焊工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量影響的研究

聶要要，鄺小樂(lè)，王亞松，夏 偉，楊 帆

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

0 引 言

隨著微波模塊向更小、更輕、更可靠的方向發(fā)展，微組裝技術(shù)也得到了更為廣泛的應(yīng)用。通過(guò)微組裝技術(shù)，大量的半導(dǎo)體集成電路芯片和片式元器件組裝在高密度的互連載板上形成了高密度、高可靠的微波模塊。考慮到微波模塊服役環(huán)境復(fù)雜且惡劣，為確保內(nèi)部電路和元器件不受外部環(huán)境的干擾和破壞，對(duì)模塊氣密性封蓋提出了更高的要求[1-2]。

目前，常用的氣密性封蓋技術(shù)有釬焊、平行封焊和激光封焊。釬焊封蓋采用錫焊焊料進(jìn)行密封，對(duì)操作人員和殼體設(shè)計(jì)均有較高的要求，稍有不當(dāng)，便會(huì)引入雜質(zhì)。平行封蓋采用平行相向的電極輪與殼體相接觸形成電阻焊以完成氣密性封蓋，對(duì)密封材料和結(jié)構(gòu)均有很高的要求，目前只能運(yùn)用于高電阻率材料的矩形或圓形等封口規(guī)則的密封結(jié)構(gòu)。作為近些年發(fā)展起來(lái)的新型工藝，激光封焊工藝具有可靠性高、應(yīng)用范圍廣、熱變形小、密封性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越廣泛地在微波模塊的氣密性得到應(yīng)用[3-4]。

目前，微波模塊常用的殼體材料有銅、可伐、鋁合金和鋁硅等。鋁合金因具有導(dǎo)熱性好、密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)已被廣泛用作微波組件的封裝材料。在實(shí)際氣密性封蓋應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋁合金殼體封焊，焊縫質(zhì)量尤其是形貌情況與模塊氣密性存在一定關(guān)系。當(dāng)焊縫形貌較差，出現(xiàn)熔邊、凹坑、氣孔缺陷時(shí)，模塊氣密性較差；當(dāng)焊縫熔深較小、重合度較低時(shí)，模塊氣密性亦較差，而熔深、熔寬、重疊率合適，焊縫形貌較好時(shí)，封焊氣密性也較佳。本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)的方法研究激光封焊工藝參數(shù)中的功率、焊接速度、焊接頻率、離焦量與焊縫形貌的關(guān)系，旨在分析影響焊縫形貌的主要因素，為氣密性封蓋奠定基礎(chǔ)。

1 激光封焊實(shí)驗(yàn)

(1) 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文采用大族PB300CE激光封焊設(shè)備進(jìn)行封焊實(shí)驗(yàn)，采用高倍顯微鏡觀察封焊形貌。通過(guò)焊縫熔深、熔寬、焊縫間距綜合評(píng)價(jià)焊縫形貌。按L9(34)正交表安排實(shí)驗(yàn)，各因素水平見(jiàn)表1。

表1 激光封焊工藝參數(shù)及水平

波形采用預(yù)保溫波形，脈寬7 ms。殼體和蓋板的材料分別是鋁合金6063和4A11，表面本色導(dǎo)電氧化處理，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

(2) 實(shí)驗(yàn)方法

首先用有機(jī)溶劑擦拭殼體和蓋板的待焊處，再用無(wú)水乙醇進(jìn)行二次擦洗，清洗完成后靜置自然晾干。隨后將待焊工件真空烘箱烘干，完成后移入充氮?dú)獾氖痔紫渲校_(dá)到一定含量的水氧值后進(jìn)行封焊操作。封焊后結(jié)合線切割設(shè)備和高倍顯微鏡觀察焊縫形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

激光封焊后焊縫形貌的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各因素正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1) 功率對(duì)焊縫形貌的影響

功率對(duì)焊縫形貌的影響很大，主要體現(xiàn)在對(duì)熔深的影響上。從圖2中可以看出，隨著功率的增加，熔深逐漸增大，當(dāng)功率超過(guò)一定門(mén)限仍持續(xù)增大時(shí)焊縫區(qū)出現(xiàn)明顯的金屬氣化現(xiàn)象并伴隨產(chǎn)生輕微飛濺形成凹坑和氣孔，焊縫質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響氣密可靠性。這是因?yàn)楣β实脑黾?，用于產(chǎn)生匙孔的激光能量增大，從而能增加熔深，但隨著激光能量超過(guò)門(mén)限持續(xù)增加，熔深增大，甚至?xí)霈F(xiàn)殼體熔穿現(xiàn)象，嚴(yán)重影響內(nèi)部電路可靠性和模塊氣密性。功率的增加對(duì)熔寬也有影響，但不像熔深那樣顯著，隨著功率的持續(xù)增加，焊縫表面質(zhì)量會(huì)逐漸下降，影響模塊氣密性。

(2) 焊接速度對(duì)焊縫形貌的影響

焊接速度對(duì)焊縫熔深、熔寬的影響較小，對(duì)焊縫重疊率的影響較大。從圖3中可以看出，隨著焊接速度的不斷增加，焊縫與焊縫的間距逐漸增大，焊縫重合度降低。當(dāng)焊縫的重疊率在80%以上時(shí)，封焊氣密性效果較為理想，而較低的焊縫重合度則會(huì)帶來(lái)較差的封焊氣密性[5]。當(dāng)焊接速度過(guò)小時(shí)，由于焊縫區(qū)能量不能及時(shí)散發(fā)出去，導(dǎo)致熱量集中，焊縫區(qū)高溫而產(chǎn)生飛濺、氣孔、熔邊等缺陷，亦會(huì)影響封焊氣密性。

(3) 焊接頻率對(duì)焊縫形貌的影響

焊接頻率對(duì)焊縫形貌的作用效果與焊接速度相似，主要影響焊縫重疊率，對(duì)焊縫形貌亦有一定的影響。從圖4中可以看出，隨著焊接頻率的增大，焊縫間的間距逐漸變小，焊縫區(qū)逐漸出現(xiàn)熔邊、氣孔等缺陷。這是因?yàn)楹附宇l率的增加，焊縫區(qū)能量集中，產(chǎn)生高溫，熱量散失不及時(shí)而產(chǎn)生熔邊和氣孔等缺陷，影響封焊氣密性。

(4) 離焦量對(duì)焊縫形貌的影響

離焦量對(duì)焊縫形貌的影響較大。從圖5可以看出，隨著離焦量的增大，焊縫熔深先減小后增大，熔寬則先增大后減小，當(dāng)離焦量為0 mm時(shí)，熔深最小，熔寬最大。這是因?yàn)殡S著離焦量的增大，激光焦點(diǎn)逐漸從焊件表面之下移動(dòng)至焊件表面之上，激光焦點(diǎn)作為激光束能量最高的地方，在焊縫區(qū)的能量聚集也就越高，可產(chǎn)生較高的熔深和熔寬。當(dāng)離焦量為0 mm時(shí)，焦點(diǎn)位于焊件表面，過(guò)高的能量密度易造成焊件表明焊縫區(qū)飛濺、熔邊、氣孔等缺陷，降低封焊氣密性。一般情況，焦點(diǎn)在焊件之下適用于焊接熔深較大的情況，對(duì)于焊接薄板材料時(shí)，焦點(diǎn)在焊件之上則較為合適。

3 綜合優(yōu)化

表3、表4為激光封焊后焊縫形貌正交實(shí)驗(yàn)的極差分析結(jié)果。極差R可以判斷各因素的主次順序，極值R越大表明該水平的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響越大。K的大小可判斷各因素最優(yōu)參數(shù)，K越小該參數(shù)選取越優(yōu)。表3可得到各水平對(duì)焊縫熔深影響的先后順序?yàn)楣β?、焊接頻率、離焦量、焊接速度，根據(jù)K值大小確定的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案組合為A1B2C1D2。表4可得到各水平對(duì)焊縫熔寬的影響先后順序?yàn)楣β省⒑附宇l率、離焦量、焊接速度，根據(jù)K值大小確定的的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案組合為A1B1C2D1。綜合考慮功率、離焦量對(duì)焊縫熔深的影響和焊接速度、焊接頻率對(duì)重疊率的影響，最終確定各因素的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)組合為A2B2C2D3，即功率4 kW、焊接速度1.6 mm·s-1、焊接頻率10 Hz、離焦量2 mm。

表3 焊縫熔深正交實(shí)驗(yàn)極差分析(單位：μm)

表4 焊縫熔寬正交實(shí)驗(yàn)極差分析(單位：μm)

按照優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行封焊試驗(yàn)，焊縫質(zhì)量形貌如圖6所示。焊縫熔深632 mm、熔寬833 mm，重疊率80.8%，焊縫均勻美觀，無(wú)孔洞和裂紋等缺陷，得到了優(yōu)秀的焊縫質(zhì)量形貌。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)焊接工藝參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)分析，研究功率、焊接速度、焊接頻率和離焦量等焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫形貌的影響關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在當(dāng)前的激光封焊工藝參數(shù)下，功率和離焦量對(duì)焊縫熔深、熔寬的影響較大，合適的功率和離焦量設(shè)置可以得到較佳的焊縫熔深和熔寬；而焊接速度和焊接頻率則對(duì)焊縫間的重疊率影響較大，焊接速度較快或焊接頻率較慢，均會(huì)影響焊縫重疊率，進(jìn)而影響封焊氣密性。后期通過(guò)控制封焊工藝參數(shù)，得到優(yōu)秀的焊縫形貌，提升了工藝穩(wěn)定性和一致性，進(jìn)一步保證了微波模塊產(chǎn)品的封焊氣密性要求。