電流壓焊技術(shù)在微波模塊修理中的應(yīng)用研究

陳莉華/江蘇金陵機(jī)械制造總廠

0 引言

高頻微波模塊作為機(jī)載雷達(dá)的關(guān)鍵部位，其工作可靠性對(duì)整部雷達(dá)性能具有至關(guān)重要的作用。高頻微波模塊采用多芯片組裝技術(shù)，內(nèi)部集成多種裸芯片微組裝工藝。其中，電流壓焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于模塊中器件引腳與焊盤(pán)、大尺寸金帶與焊盤(pán)之間的互連，以實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)的互通。

電流壓焊是一種靠固態(tài)金屬原子間的相互擴(kuò)散形成金屬鍵結(jié)合的焊接方法，壓焊的兩個(gè)基本條件是一定的壓力和一定的溫度。對(duì)于高頻微波模塊來(lái)說(shuō)，壓焊選用的電極需要規(guī)范適當(dāng)；壓焊接合面應(yīng)有足夠的剪切力、拉力，防振性能好，不易脫落；壓焊瞬間產(chǎn)生的能量對(duì)外圍電路的損害應(yīng)盡可能小。本文通過(guò)對(duì)兩個(gè)典型微波模塊故障原因進(jìn)行分析和研究，詳細(xì)闡述電流壓焊技術(shù)在微波模塊修理中的應(yīng)用，通過(guò)選取合適的電極類型，尋找適用于電流壓焊的參數(shù)，并對(duì)工藝提出可靠性評(píng)價(jià)，使產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步得到提 升。

1 電流壓焊技術(shù)在微波模塊修理中的應(yīng)用試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

某型高速數(shù)控衰減器模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的數(shù)控衰減。每件模塊裝配20 個(gè)梁式引線二極管。該類模塊的故障率達(dá)30%，主要由梁式引線二極管的失效引起。修理時(shí)需要將故障梁式引線二極管拆除，重新焊接合格的器件。其中，梁式引線二極管的可靠焊接是保證微波模塊性能良好的關(guān)鍵。

某型放大器模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的低噪聲放大。模塊采用高密度互連基板技術(shù)，基板與基板之間通過(guò)大尺寸金帶連接。該類模塊的故障主要由大尺寸金帶斷裂引起，導(dǎo)致微波信號(hào)無(wú)法傳輸至后級(jí)。修理時(shí)需要將斷裂金帶拔除，并重新對(duì)金帶進(jìn)行焊接。

電流壓焊技術(shù)既可用于梁式引線二極管這類器件引腳與焊盤(pán)之間的互連，又適用于大尺寸金帶與焊盤(pán)之間的連接，兩類器材壓焊面微帶線分別為Rogers基板和陶瓷基板襯底上沉積的Au膜。區(qū)別于制造工藝，微波模塊修理對(duì)電流壓焊工藝的要求更復(fù)雜，難度更大。一方面，微帶線上原壓焊材料需清除，若有殘留將導(dǎo)致壓焊表面不平整，易造成電極打火，損壞微電路；另一方面，由于模塊長(zhǎng)期服役后，再次開(kāi)蓋其內(nèi)部易引入微小污染物和氧化物，會(huì)對(duì)壓焊性能、電性能造成惡劣影響，影響產(chǎn)品長(zhǎng)期可靠性。

針對(duì)以上兩個(gè)方面的問(wèn)題，試驗(yàn)前需要做好如下準(zhǔn)備工作：

1）用平整的鏟刀將梁式引線二極管、大尺寸金帶兩端壓焊面沿著焊盤(pán)輕輕鏟起，保證壓焊面無(wú)殘留，使壓焊面平整。

2）使用等離子清洗技術(shù)清洗微波模塊中的微電路，去除微帶線表面污染物和氧化物，增強(qiáng)壓焊表面活性，改善Au 膜的附著力。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)使用UB29 電流壓焊機(jī)進(jìn)行壓焊，該設(shè)備配置一臺(tái)主機(jī)，可在壓焊過(guò)程中對(duì)焊接壓力、焊接時(shí)間、工作電流等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)備配備不同型號(hào)的電極，其規(guī)格參數(shù)對(duì)比如表1 所示。應(yīng)根據(jù)被試驗(yàn)對(duì)象的尺寸選擇相應(yīng)規(guī)格的電極，原則上電極壓接面應(yīng)略小于焊接部位，一方面避免壓焊時(shí)接觸不充分造成電極打火，另一方面又能提供足夠的能量使壓接面充分接觸以保證可靠連接。

表1 不同規(guī)格電極參數(shù)對(duì)比

試驗(yàn)在20 倍顯微鏡下完成，梁式引線二極管、大尺寸金帶結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2 所示?？梢钥闯?，二極管引腳為兩根金帶，引腳尺寸為（0.015×0.006×0.0005）in， 根 據(jù) 器件兩側(cè)引腳尺寸選擇型號(hào)為UTM152L的電極；大尺寸金帶尺寸為（0.02× 0.1×0.0005）in，選擇型號(hào)為UTM237L的電極進(jìn)行焊接。

試驗(yàn)中對(duì)兩類器材在各自區(qū)域上的壓焊均進(jìn)行了試驗(yàn)，電流壓焊的參數(shù)曲線由兩個(gè)脈沖組成，如圖3 所示，每個(gè)脈沖包括電流上升時(shí)間、電流保持時(shí)間、壓焊電流值、電流下降時(shí)間4 個(gè)參數(shù)。一般而言，第一個(gè)脈沖起到壓接面清潔作用，第二個(gè)脈沖起到焊接作用。第一個(gè)脈沖電流峰值建議設(shè)置為第二個(gè)脈沖電流峰值的1/3 ～1/2 倍。對(duì)焊接影響較大的三個(gè)參數(shù)分別是焊接壓力、第二個(gè)脈沖電流壓焊值和電流保持時(shí)間，若上述參數(shù)中任一參數(shù)過(guò)大都可能導(dǎo)致引腳、金帶或微帶線熔斷，而參數(shù)過(guò)小則可能導(dǎo)致焊接不良，試驗(yàn)著重對(duì)以上三個(gè)參數(shù)進(jìn)行了探索。

圖1 梁式引線二極管

2 梁式引線二極管電流壓焊工藝研究

梁式引線二極管電流壓焊工藝參數(shù)如表2 所示，包括焊接壓力、第二個(gè)脈沖電流壓焊值和電流保持時(shí)間三個(gè)參數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)焊接壓力，可以改變電極與焊接面的擠壓效果；通過(guò)調(diào)節(jié)第二個(gè)脈沖電流壓焊值和電流保持時(shí)間，可以改變焊接功率，調(diào)節(jié)焊接引腳與焊接面之間焊點(diǎn)的形成。

圖4 為表2 中不同工藝參數(shù)電流壓焊后器件焊接效果的光學(xué)照片?？梢钥闯觯瑓?shù)過(guò)小導(dǎo)致壓焊不充分。在芯片推力試驗(yàn)中，圖4 a）中焊接面剪切力小，易脫落，焊接不良。參數(shù)過(guò)大導(dǎo)致器件引腳與微帶線熔斷，對(duì)組件造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，如圖4 c）所示。圖4 b）中，上方二極管為原工藝壓焊形成，焊點(diǎn)凹凸不平，接合面積小，不易于二次焊接。試驗(yàn)中選用的UTM152L 電極為實(shí)心平整電極，壓焊后的焊點(diǎn)光滑平整，焊點(diǎn)接合面積大，且易于二次焊接。適用于梁式引線二極管焊接參數(shù)值為：焊接壓力43gf、第二個(gè)脈沖電流壓焊值18A、電流保持時(shí)間8ms，此組參數(shù)焊接效果最為理想。

圖2 大尺寸金帶

圖3 電流壓焊程序參數(shù)

表2 梁式引線二極管電流 壓焊工藝參數(shù)

一般而言，梁式引線二極管焊接完成后，在20 倍的顯微鏡下，需同時(shí)滿足三個(gè)要求：

1）壓焊點(diǎn)離管芯邊緣應(yīng)大于25 μm。

2）焊接后，管芯不應(yīng)出現(xiàn)破裂或缺損等機(jī)械損傷。

3）焊接后，管芯不應(yīng)出現(xiàn)明顯變色或燒蝕的痕跡。

3 大尺寸金帶電流壓焊工藝研究

通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，獲得了適用于大尺寸金帶電流壓焊工藝參數(shù)，如表3所示。圖5 為采用表3 中不同電流壓焊工藝參數(shù)后大尺寸金帶焊接效果的光學(xué)照片?？梢钥闯?，隨著第二個(gè)脈沖電流壓焊值及電流保持時(shí)間的增大，壓焊面顏色逐漸加深，呈現(xiàn)出燒灼痕跡。當(dāng)焊接壓力為50gf、第二個(gè)脈沖電流壓焊值為42A、電流保持時(shí)間11ms 時(shí)，壓焊面光滑、圓潤(rùn)，無(wú)變色。為進(jìn)一步驗(yàn)證金帶壓焊的可靠性，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了金帶破壞性拉力檢測(cè)，三個(gè)樣品的檢測(cè)力分別是86gf、154gf、132gf，樣品2和樣品3 均滿足業(yè)界要求的（500μm金帶拉力≥100gf）破壞性拉力檢測(cè) 值。

圖4 不同壓焊工藝參數(shù)梁式引線二極管焊接效果圖

表3 大尺寸金帶電流壓焊工藝參數(shù)

圖5 不同壓焊工藝參數(shù)大尺寸金帶焊接效果圖

高頻微波模塊中不必要的分布電容、分布電感將影響產(chǎn)品的駐波、增益、噪聲系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)。使用大尺寸金帶連接相鄰基板時(shí)，一方面，應(yīng)盡量選用較短的金帶，降低拱高，減少分布參數(shù)的影響；另一方面，陶瓷基板在機(jī)上復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作易發(fā)生微小位移，適當(dāng)?shù)墓案呖梢詼p少過(guò)短金帶出現(xiàn)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。如何壓焊合適長(zhǎng)度、合適拱高的金帶尚無(wú)明確的公式，需要在模塊修復(fù)后測(cè)試性能并裝機(jī)驗(yàn)證其對(duì)微波性能的影響。

4 總結(jié)

本文對(duì)兩型模塊中梁式引線二極管和大尺寸金帶的電流壓焊工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)優(yōu)化電流壓焊工藝參數(shù)，得到了兩類器材的理想壓焊參數(shù)，給出以下結(jié)論：梁式引線二極管的壓焊參數(shù)為焊接壓力43gf、第二個(gè)脈沖電流壓焊值18A、電流保持時(shí)間8ms；大尺寸金帶壓焊參數(shù)為焊接壓力50gf、第二個(gè)脈沖電流壓焊值42A、電流保持時(shí)間11ms?？梢酝ㄟ^(guò)推力試驗(yàn)和破壞性拉力試驗(yàn)分別檢測(cè)梁式引線二極管和大尺寸金帶的壓焊效果。目前，形成的電流壓焊工藝已運(yùn)用于兩類微波模塊的修理 中。