射頻同軸連接器金帶連接熱應(yīng)力有限元分析

劉曉陽(yáng) 許迪 金蓓蓓

摘? 要：在宇航領(lǐng)域微波組件射頻同軸電連接器與微帶板間的互連工藝中，金帶連接作為一種較新的互連方式，兼具焊料硬連接和Ω型跨接片焊接的優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)有限元模擬的方法，建立金帶包覆焊接模型，計(jì)算在不同金帶規(guī)格及位置對(duì)結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，各組金帶規(guī)格、包覆位置在不同溫度載荷條件下金帶上的最大等效應(yīng)力值都很低，各組數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)低于金帶的拉斷強(qiáng)度。金帶包焊通過(guò)柔性連接的方式可有效抵消熱失配產(chǎn)生的材料內(nèi)部應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：有限元仿真;金帶連接;電阻焊;射頻同軸電連接器

Abstract：In the interconnection process between the microwave component RF coaxial electrical connector and the microstrip board in the aerospace field，the gold strip connection has the advantages of solder hard connection and Ω-type jumper welding as a relatively new interconnection method. In this paper，the finite element simulation method is used to establish the model of gold strip cladding welding，and the influence of different specifications and positions of gold strip on the heat stress of structure is calculated. The results show that the maximum equivalent stress values of each group of gold strips are very low under different temperature loading conditions，and the data of each group are far lower than the tensile strength of gold strips. Through flexible connection，the metal strip cladding welding can effectively offset the internal stress caused by thermal mismatch.

Keywords：finite element simulation;gold strip connection;resistance welding;RF coaxial electrical connector

0? 引? 言

射頻同軸電連接器是宇航微波領(lǐng)域重要的射頻傳輸元件，廣泛應(yīng)用于微波通信[1，2]。隨著微波信號(hào)頻段的不斷提升，宇航領(lǐng)域微波產(chǎn)品的頻段已覆蓋到X以及Ka波段，對(duì)信號(hào)傳輸部分的損耗及電壓駐波比也有了更高的要求。射頻同軸電連接器與微帶板之間的連接方式通常有焊料硬連接和Ω型跨接片（可伐鍍金或銅帶）焊接、金帶連接三種方式。傳統(tǒng)的直接焊接信號(hào)差損小，駐波較好，但由于常用鋁基殼體與陶瓷微帶板的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部在熱循環(huán)條件下會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，存在較高風(fēng)險(xiǎn);Ω型跨接片的焊接方式利于釋放熱應(yīng)力，但在2 GHz以上的頻段會(huì)大大增加信號(hào)差損，惡化駐波比，同時(shí)由于跨接片尺寸較小，手工焊接難以保證焊接質(zhì)量;金帶連接是通過(guò)電阻點(diǎn)焊的方法將金帶與射頻同軸連接器芯線及微帶線上的金鍍層之間焊接，兼具直接焊接和Ω型跨接片焊接的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)微波信號(hào)傳輸性能影響小、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、受熱應(yīng)力影響小[3]，但相較于前兩種成熟工藝，對(duì)金帶連接的研究還不夠全面和深入。本文將通過(guò)有限元模擬的方法，對(duì)金帶連接的互連結(jié)構(gòu)在高溫及低溫條件下的熱應(yīng)力情況進(jìn)行仿真計(jì)算，并研究不同金帶規(guī)格及位置對(duì)結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力可靠性的影響。

1? 有限元模型建立

1.1? 單元選取、簡(jiǎn)化假設(shè)及模型參數(shù)

本文基于有限元分析軟件ANSYS 12.1對(duì)模型進(jìn)行建模和計(jì)算。由于微波組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)便于仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將有限元模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，使仿真分析結(jié)構(gòu)接近真實(shí)結(jié)果。本文進(jìn)行的相關(guān)簡(jiǎn)化有：（1）將模型簡(jiǎn)化為鋁合金盒體、微帶板基材、微帶線、金帶、射頻同軸電連接器五個(gè)部分;（2）忽略電連接器、微帶板、盒體之間的空隙;（3）將微帶板通過(guò)緊固件安裝簡(jiǎn)化為微帶板與盒體接觸面完全貼合;（4）材料間界面為完全粘接，不考慮焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔等缺陷;（5）金帶形狀簡(jiǎn)化為橢圓帶狀與電連接器芯線、微帶線相交后形成的最終形狀;（6）由于熱應(yīng)力主要由電連接器鍍金銅芯、金帶與銅鍍金微帶線之間不同材料的熱失配產(chǎn)生，仿真時(shí)不考慮極薄的鍍金層對(duì)熱應(yīng)力的影響。

本文研究的模型采用3D單元。在進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)，各材料采用Solid185三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，該單元類型每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度，具有塑性、超彈性、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形等特點(diǎn)，適用于本文仿真模型的熱應(yīng)力計(jì)算。實(shí)物與建模模型如圖1所示。

模型中涉及的各種材料的力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)如表1所示[4，5]。

1.2? 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

模型尺寸如表2所示。

建模過(guò)程分別建立盒體、微帶板、微帶線、SMA連接器外殼、絕緣體和芯線、金帶及其上下側(cè)壓痕，最終切割為1/2模型，減少計(jì)算量。

為了控制網(wǎng)格密度，網(wǎng)格劃分前使用LESIZE命令對(duì)模型進(jìn)行線劃分（mesh lines）。將模型整體完成線劃分后，再進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用體掃掠和四面體自由網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方式，在規(guī)則的拉伸體上使用體掃掠使網(wǎng)格規(guī)則，網(wǎng)格數(shù)量適中、質(zhì)量高;在不規(guī)則的體上采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格通用性更強(qiáng)。對(duì)于著重研究的金帶部分增加網(wǎng)格密度，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。芯線及金帶包焊部位的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

2? 熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在熱應(yīng)力計(jì)算中，對(duì)模型所有節(jié)點(diǎn)施加初始溫度條件作為溫度載荷，分別為-55 ℃、100 ℃，施加重力加速度9.8 m/s2。邊界條件設(shè)置為盒體底面在豎直方向?yàn)楣潭s束，并在1/2模型對(duì)稱面施加對(duì)稱約束。參考溫度設(shè)置為室溫25 ℃，該溫度為無(wú)熱應(yīng)力的設(shè)定溫度。載荷的施加同樣通過(guò)APDL命令流完成。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，選擇等效應(yīng)力（Von Mises Stress）作為材料內(nèi)部應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，選擇金帶部位作為考察對(duì)象，圖3等效應(yīng)力云圖是金帶包裹在SMA芯線中部、金帶寬度0.5 mm、厚度12.7 μm、較緊（金帶橢圓半長(zhǎng)軸a=0.6 mm）時(shí)在高溫100 ℃、低溫-55 ℃時(shí)的應(yīng)力分布情況。由圖3可知金帶上最大等效應(yīng)力位于微帶線上的鍵合點(diǎn)的邊緣。在高溫和低溫狀態(tài)下金帶處的熱應(yīng)力值很低，最大值在金帶與微帶線鍵合點(diǎn)的邊角處，最大等效應(yīng)力為0.43 MPa，而金帶的拉斷強(qiáng)度大于118 MPa，因此金帶包覆連接的結(jié)構(gòu)能夠有效降低射頻連接器與微帶線互連部位的熱應(yīng)力。

通過(guò)APDL命令改變模型參數(shù)，建立不同金帶寬度、厚度及包覆位置的有限元模型。按前文的載荷施加方式及邊界條件設(shè)置，對(duì)不同的金帶規(guī)格和包焊位置進(jìn)行熱應(yīng)力仿真，記錄結(jié)果如表3所示。

從仿真計(jì)算結(jié)果可得，各組參數(shù)下金帶上的最大等效應(yīng)力值都很低，各組數(shù)據(jù)都遠(yuǎn)低于金帶的拉斷強(qiáng)度極限，改變金帶規(guī)格和金帶包焊位置對(duì)高溫和低溫時(shí)的最大等效應(yīng)力的影響并不大。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前文研究結(jié)果，使用寬度0.5 mm、厚度12.7 μm的金帶制作三組包覆較緊、芯線中部的金帶包焊焊點(diǎn)，放置于高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度設(shè)置為-55 ℃～100 ℃，高低溫各保持15 min，升溫速率不大于10 ℃/s，200次循環(huán)。試驗(yàn)后使用顯微鏡對(duì)包焊位置進(jìn)行外觀檢查，并使用拉力測(cè)試儀對(duì)射頻連接器芯線處上下側(cè)焊點(diǎn)、微帶線上的焊點(diǎn)分別進(jìn)行拉斷力測(cè)試，驗(yàn)證焊接質(zhì)量。

試驗(yàn)后的樣品外觀如圖4所示，可看到無(wú)脫焊、裂紋等情況，焊點(diǎn)結(jié)合良好。焊點(diǎn)拉力試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，溫度循環(huán)后微帶線和射頻連接器芯線上的鍵合點(diǎn)鍵合質(zhì)量依然良好，拉斷力遠(yuǎn)高于GJB 548B—2005的要求（對(duì)應(yīng)該規(guī)格金帶的拉斷力要求大于20 gF），金帶包焊質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

4? 結(jié)? 論

本文通過(guò)有限元仿真的方法對(duì)微波組件中射頻連接器與微帶線的金帶連接結(jié)構(gòu)在高溫及低溫狀態(tài)下的熱應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，研究了不同金帶規(guī)格、包覆位置下模型的熱應(yīng)力情況，并制作實(shí)物樣品進(jìn)行高低溫試驗(yàn)及拉力試驗(yàn)。仿真及實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果均表明，不同參數(shù)下的金帶連接的結(jié)構(gòu)均能夠有效降低射頻連接器與微帶線互連部位的熱應(yīng)力。本文的研究成果為射頻同軸電連接器金帶連接技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了理論支撐。

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作者簡(jiǎn)介：劉曉陽(yáng)（1990.11—），男，漢族，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向：半導(dǎo)體工藝。