基于相控陣天線的大尺寸微波基板與連接器一體化精密裝焊技術(shù)研究 ①

第五東超，張 樂(lè)，程愛國(guó)，王 凱，金展嗣

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

相控陣天線由于其波束指向速變的優(yōu)勢(shì)在空間載荷中廣泛應(yīng)用[1-3]，是未來(lái)衛(wèi)星的重要發(fā)展方向之一。收發(fā)組件作為相控陣天線核心部分，是天線輻射幅度及相位的主要控制部分。相控陣天線集成化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)要求收發(fā)組件具備更高系統(tǒng)集成度、更小的成本及體積。在此趨勢(shì)下多層微波基板的應(yīng)用與發(fā)展、瓦式T/R組件的集成安裝、波控和電源的模塊化對(duì)于現(xiàn)有工藝制造能力提出了新的需求。收發(fā)組件中功率分配與合成網(wǎng)絡(luò)的小型化需要微波基板電路與機(jī)殼大面積接地互聯(lián)，并使用規(guī)格更小的連接器實(shí)現(xiàn)模塊與模塊、組件與組件的電氣連接和信號(hào)傳輸[3]。

某型號(hào)使用的相控陣天線收發(fā)組件進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，在此設(shè)計(jì)中要求工藝前端將尺寸為145 mm×160 mm的RO4350B微波基板和39個(gè)SMP連接器焊接至鋁鍍銀機(jī)殼上。要求：1)基板焊接后有效焊接面積75%以上，焊接有效區(qū)域沒(méi)有貫穿縫，且單個(gè)空洞面積不超過(guò)有效焊接面積的10%；2)焊接后SMP 尾端與機(jī)殼平面度最大落差不超過(guò) 0.1 mm，SMP連接器引線(直徑0.4 mm)與基板SMP孔(直徑0.8 mm)中心同軸，最大偏差 ±0.05 mm，引線腔體內(nèi)無(wú)多余物；3)SMP連接器孔縫表面填滿95%以上，且無(wú)裂紋存在。為確保焊接后SMP與基板之間的精密配合及焊接質(zhì)量提出一體化焊接。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用的微波基板尺寸大，SMP裝配精度要求高，在試驗(yàn)過(guò)程中存在如基板變形嚴(yán)重、釬透率低、SMP引線不居中、短路等諸多問(wèn)題。為此，本文通過(guò)分析焊接產(chǎn)生的各項(xiàng)具體問(wèn)題，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了大尺寸微波基板與連接器的一體化精密裝焊，有效解決了大面積微波基板與連接器焊接制造過(guò)程中存在的各疑難點(diǎn)，保證了產(chǎn)品焊接的精密性和高可靠性。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裝焊工藝設(shè)計(jì)

圖1和圖2為某型號(hào)中要求的RO4350B基板與SMP連接器安裝示意圖。機(jī)殼內(nèi)部需要將尺寸規(guī)格為145 mm×160 mm的RO4350B微波基板整面焊接至機(jī)殼。機(jī)殼背面需焊接39個(gè)SMP，焊接后，SMP引線上表面與基板CS面在同一水平面。

(a) 機(jī)殼正面

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

機(jī)殼在進(jìn)行基板與SMP的焊接后，還需進(jìn)行剩余電裝工藝，因此為與后續(xù)操作使用的釬錫焊料拉開梯度，選用熔點(diǎn)為217 ℃的Sn96.5Ag3.0Cu0.5焊料進(jìn)行前端工藝基板、SMP連接器及機(jī)殼一體化焊接，殼體材料使用2H12鋁合金，為確?？珊感允褂谜w鍍銀工藝。

焊膏進(jìn)行焊接時(shí)涂覆的均勻性、重復(fù)性相對(duì)焊片較差[4]，而焊片操作簡(jiǎn)單方便，同時(shí)考慮到基板尺寸大，為最大限度減少和控制助焊劑對(duì)焊接的影響，基板焊接使用焊片，SMP使用焊環(huán)[5-7]。焊接結(jié)構(gòu)相關(guān)信息如表1所列。

表1 焊料、基板及機(jī)殼

其主要工藝指標(biāo)難點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

1)基板釬透率

基板焊接后釬透率影響接地效果，進(jìn)而影響整個(gè)產(chǎn)品電性能，是產(chǎn)品制造的重要指標(biāo)[8]。該型號(hào)中基板尺寸過(guò)大，層數(shù)多，加工工藝復(fù)雜，因此翹曲變形較大，經(jīng)測(cè)量最大變形量可達(dá)0.7 mm，平均每塊基板翹曲最大變形量可達(dá)0.5 mm，焊接時(shí)極易形成較大焊接孔洞，難以滿足基板焊接后有效焊接面積75%以上，單個(gè)空洞面積不超過(guò)有效焊接面積10%的要求，因此需要特定工裝在焊接基板施加壓力的同時(shí)對(duì)基板的平面度進(jìn)行矯正，以保證基板、焊料片、機(jī)殼三者均衡接觸。焊接時(shí)基板上排氣孔的設(shè)置也會(huì)對(duì)焊接空洞產(chǎn)生影響，合理設(shè)置透氣孔數(shù)量和位置有利于提高基板釬透率。

2)SMP連接器焊接精度

該型號(hào)產(chǎn)品中，基板上SMP引線孔直徑0.8 mm，SMP引線直徑0.4 mm，要求焊接后基板SMP孔與SMP連接器中心同軸，最大偏差 ±0.05 mm且SMP連接器引線上表面與基板處于同一平面；SMP尾端與機(jī)殼平面度最大落差不超過(guò)0.1 mm。對(duì)于裝配和焊接精度要求高。

3)焊料量控制

SMP連接器焊接時(shí)焊料量過(guò)多時(shí)會(huì)產(chǎn)生漫錫，引起基板SMP引線孔與SMP連接器的短路，焊料量過(guò)少不能滿足SMP連接器孔縫表面填滿95%以上。同時(shí)基板焊接時(shí)需要控制焊料量，為保證基板、焊料機(jī)殼三者之間均衡接觸，通常施加壓力過(guò)多的焊料量易造成漫錫，從而影響后道工序，焊料量不足時(shí)導(dǎo)致焊接面積不足形成大焊接空洞。焊料量控制是影響焊接質(zhì)量的重要因素。

4)焊接溫度控制

由于機(jī)殼與基板尺寸厚度大，在與工裝組裝形成焊接樣件后，焊接樣件整體尺寸過(guò)大，焊接樣件整體各部位溫度難以均衡，加熱面從上到下溫度不一致。其次，焊接樣件組裝后熱熔大，升溫降溫困難，對(duì)于焊接溫度的控制難度大，對(duì)焊接質(zhì)量存在重要影響。

2 工藝難點(diǎn)分析及解決路徑

2.1 基板釬透率

該型號(hào)中基板尺寸過(guò)大，翹曲變形嚴(yán)重，部分基板的翹曲變形量如表2所列，焊接時(shí)使用焊片厚度為0.1 mm，若對(duì)基板變形不進(jìn)行控制極易形成較大焊接孔洞，因此需要設(shè)計(jì)工裝在焊接基板施加壓力的同時(shí)對(duì)基板的平面度進(jìn)行矯正，保證基板、焊料片、機(jī)殼三者均衡接觸，以此改善焊接條件，保證焊料與基板整面均衡接觸，獲得良好焊接質(zhì)量[9]。

表2 翹曲最大變形量h

針對(duì)上述基板翹曲變形問(wèn)題需要考慮設(shè)計(jì)加壓工裝，為避免造成熱容更大的情形，增加焊接難度，因此結(jié)合樣件本身螺釘孔位設(shè)計(jì)專用基板固定與調(diào)整工裝，如圖3所示，在工裝下方五個(gè)易翹曲變形位置放置壓塊，固定于機(jī)殼上的調(diào)整工裝使用螺釘對(duì)壓塊施加壓力，調(diào)整基板變形，確保基板焊接時(shí)焊料與基板整面均衡接觸，獲得良好焊接質(zhì)量。該工裝有如下特點(diǎn)：1)壓塊分區(qū)放置，可對(duì)不同基板的不同變形進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)；2)避免同時(shí)施壓時(shí)壓力造成焊料的不均勻，減少工裝對(duì)焊料的影響；3)結(jié)合樣件本身螺釘孔位設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化調(diào)整工裝，避免塊狀工裝造成的熱熔過(guò)大情形；4)充分避讓基板上存在的各種排氣孔及SMP孔，有利于焊接時(shí)氣體的快速釋放，對(duì)于減小焊接空洞具有重要作用。

圖3 基板加壓工裝設(shè)計(jì)示意圖

焊接空度率還受焊接氛圍、焊接曲線等因素的影響[9]，考慮到基板空洞率要求，使用熱板式真空焊接機(jī)進(jìn)行焊接，同時(shí)，要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)在基板上方增加排氣孔，在焊接時(shí)進(jìn)行抽真空操作，減少焊接空洞。

2.2 SMP連接器焊接精度

2.2.1 焊接后平面度

產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要求SMP焊接后尾端與機(jī)殼背面處于同一平面，且平面度要求小于0.1 mm。為保證SMP內(nèi)部焊接質(zhì)量，需要在SMP臺(tái)階處裝配焊料環(huán)，但在配裝焊料環(huán)后整體相對(duì)于機(jī)殼背面形成突起，如圖4所示。焊接時(shí)SMP連接器自身重量較輕，在焊料熔化后受焊料表面張力的作用難以自行落入焊接位置[10]，因此設(shè)計(jì)工裝對(duì)SMP焊接后的平面度進(jìn)行保證。

圖4 SMP尾端突起示意圖

考慮到為保證基板焊接質(zhì)量使用以熱傳導(dǎo)方式的焊接熱板式真空焊接機(jī)，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝基板加壓工裝之后需要機(jī)殼背面進(jìn)行受熱對(duì)焊件加熱。為保證焊料熔化后SMP能夠焊接到位，同時(shí)確保焊接時(shí)載體焊爐與樣件傳熱正常，設(shè)計(jì)并加工了厚度為5 mm的機(jī)殼底部SMP專用工裝。工裝與爐內(nèi)加熱板接觸面平整，與SMP接觸位置設(shè)計(jì)了小凸臺(tái)，其內(nèi)部安裝小彈簧，如圖5所示。保證SMP在焊料熔化后受彈力作用頂入焊接位置，保證焊接后機(jī)殼背面平面度。

圖5 SMP專用工裝底部設(shè)計(jì)剖面(部分)

2.2.2 SMP引線裝配精度控制

產(chǎn)品需求焊接后的SMP引線居于基板SMP孔中間位置，且無(wú)短路現(xiàn)象，而基板上SMP孔直徑僅為0.8 mm，SMP引線部位直徑0.4 mm，經(jīng)計(jì)算SMP引線偏差5°時(shí)即可發(fā)生短路現(xiàn)象。該型號(hào)產(chǎn)品中，要求焊接后基板SMP孔與SMP連接器中心同軸，最大偏差±0.05 mm且SMP連接器引線上表面與基板處于同一平面；SMP尾端與機(jī)殼平面度最大落差不超過(guò)0.1 mm。同時(shí)，焊接時(shí)錫珠的迸濺也會(huì)造成短路，一顆錫珠的存在會(huì)造成整板的報(bào)廢?？紤]對(duì)SMP引線的防護(hù)及確保SMP與基板裝焊精度，選用內(nèi)徑0.3 mm，壁厚0.15 mm的聚四氟乙烯套管工裝對(duì)焊接前的SMP連接器引線進(jìn)行保護(hù)，保證SMP連接器引線與印制板之間的空氣腔不會(huì)有焊料進(jìn)入，且確保SMP裝配和焊接時(shí)引線居于基板SMP孔中間位置。

2.3 焊料量控制

2.3.1 焊料量

機(jī)殼SMP安裝孔與連接器本身之間的間隙制約著連接器安裝焊接后的精度和質(zhì)量。間隙過(guò)小，焊料潤(rùn)濕不足，造成焊接空洞；間隙過(guò)大，裝配精度不足，易造成漫錫和短路[10]，因此根據(jù)連接器尺寸設(shè)計(jì)安裝孔尺寸，確保焊接精度的同時(shí)保證焊料量，在安裝孔中間和尾端設(shè)計(jì)與連接器尺寸匹配的焊料槽，機(jī)殼上SMP連接器孔外部倒角高度設(shè)計(jì)為0.3 mm。根據(jù)機(jī)殼上SMP連接器安裝孔體積V1與SMP連接器體積V2計(jì)算出所需焊料量，再根據(jù)使用的φ2.6 mm和φ4.4 mm焊環(huán)具體尺寸確定焊環(huán)數(shù)量。

V1-V2=V焊料

(1)

Vφ2.6 mm+Vφ4.4 mm=V焊料

(2)

φ4.4 mm的焊環(huán)安裝位置為SMP連接器尾端，為保證尾端焊料能全部進(jìn)入焊縫，因此先確定φ4.4 mm的焊環(huán)數(shù)量為2。經(jīng)計(jì)算φ2.6 mm焊環(huán)需要3.6個(gè)，最終焊接時(shí)每個(gè)SMP連接器使用4個(gè)φ2.6 mm和2個(gè)φ4.4 mm焊環(huán)。

(a) SMP安裝孔結(jié)構(gòu)

2.3.2 助焊劑使用

助焊劑的用量對(duì)焊接質(zhì)量有嚴(yán)重影響，過(guò)量的助焊劑容易在焊接面氧化層發(fā)生反應(yīng)并殘留形成焊接空洞[11]，而助焊劑不足時(shí)，焊料潤(rùn)濕性差。在該型號(hào)中，SMP焊環(huán)使用的助焊劑過(guò)量時(shí)，助焊劑會(huì)流過(guò)機(jī)殼上SMP引線孔和基板SMP引線孔，從而形成潤(rùn)濕條件，焊接時(shí)焊料由于毛細(xì)現(xiàn)象爬過(guò)引線孔造成SMP與基板短路。基板助焊劑用量過(guò)多形成焊接空洞[12]。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證控制助焊劑用量和涂覆位置，基板焊接時(shí)，在基板焊接面和機(jī)殼焊接面刷助焊劑，SMP焊接時(shí)在機(jī)殼SMP安裝孔、SMP焊接面、焊環(huán)上刷助焊劑，控制適當(dāng)?shù)闹竸┯昧?，可獲得良好焊接效果。

2.3.3 焊接防護(hù)

基板正面和SMP尾端均為鍍金材質(zhì)，焊接時(shí)濺錫容易造成污染，在焊接前進(jìn)行保護(hù)，可有效避免污染。基板正面使用一層聚酰亞胺薄膜保護(hù)焊盤，同時(shí)避開基板上原有孔，有利于焊接時(shí)基板底部排氣，從而減小空洞。使用GD-414保護(hù)SMP連接器尾端，膠液面平整，操作過(guò)程中不污染到引線的端面(金帶壓接面)。

(a) 基板保護(hù)

焊接面原有油脂、有機(jī)酸等雜質(zhì)在焊接過(guò)程中會(huì)與金屬氧化物反應(yīng)后產(chǎn)生焊接孔洞，因此焊前應(yīng)對(duì)基板SMP連接器及機(jī)殼焊接面進(jìn)行擦洗，避免雜質(zhì)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

2.4 焊接曲線控制

將基板、SMP連接器、機(jī)殼及工裝組合裝配好形成焊接樣件后，整體熱熔大，升溫困難。提高預(yù)熱區(qū)、回流區(qū)溫度并增加時(shí)間，可保證焊接樣件整體溫度均衡[13-14]。

本文中使用的熱板式低溫真空釬焊是大面積基板焊接時(shí)廣泛采用的釬焊工藝。工藝過(guò)程中將基板、焊料、SMP連接器及對(duì)應(yīng)工裝組合后放置于設(shè)備中，通過(guò)熱板對(duì)焊接樣件加熱，焊料在真空和惰性氣體環(huán)境下被加熱至熔點(diǎn)熔化，與基板底面、SMP連接器及鋁鍍銀機(jī)殼焊接面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬間化合物，從而實(shí)現(xiàn)基板和SMP連接器的焊接，焊接時(shí)熱量傳輸路徑如圖8所示。典型熱板式低溫真空釬焊時(shí)通過(guò)兩輪抽真空和充氮?dú)夂箝_始進(jìn)行加熱，在焊接區(qū)進(jìn)行抽真空操作[15-16]。

圖8 傳熱路徑示意圖

監(jiān)測(cè)焊接樣件溫度在進(jìn)入回流區(qū)后30 s內(nèi)到達(dá)焊料熔點(diǎn)，可保證焊接時(shí)充分進(jìn)行抽真空，有效減少了焊接孔洞。熱板式回流焊接溫度從靠近熱板一側(cè)向上溫度逐漸降低，焊接樣件中，基板焊接面與SMP焊接面不在同一平面，焊接時(shí)焊接溫度有所差異，為均衡基板與SMP連接器的焊接溫度，預(yù)熱時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)，增加抽真空時(shí)間。經(jīng)多次試驗(yàn)，確定當(dāng)基板焊接溫度240.2 ℃時(shí)，基板和SMP連接器均可獲得良好焊接效果。

同時(shí)，經(jīng)多次驗(yàn)證，上述工藝方法可應(yīng)用于更大尺寸基板的焊接，當(dāng)前已驗(yàn)證基板焊接單邊最大尺寸可達(dá)285 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 指標(biāo)合格性

對(duì)焊接后的產(chǎn)品樣件進(jìn)行外觀及X光檢驗(yàn)，確定樣件質(zhì)量合格。典型產(chǎn)品X光檢查結(jié)果如圖9所示。

圖9 典型產(chǎn)品X光

經(jīng)檢查，基板與機(jī)殼焊縫焊料潤(rùn)濕良好，無(wú)裂紋存在，部分孔洞邊、基板四周存在焊料溢出的情況，使用X光檢查焊接面質(zhì)量，焊接有效面積大于基片面積的85%；基板焊接有效區(qū)域沒(méi)有貫穿縫，且單個(gè)空洞面積不超過(guò)有效焊接面積的10%；45倍顯微鏡下檢查SMP焊接焊料潤(rùn)濕良好，孔縫表面均至少填滿95%，且無(wú)裂紋存在，SMP內(nèi)引線無(wú)彎折，尾端嵌入機(jī)殼無(wú)突出，引線腔體內(nèi)無(wú)多余物，各SMP進(jìn)行X光檢測(cè)，與基板之間均無(wú)錫渣、無(wú)短路現(xiàn)象，SMP同軸度偏差<0.05 mm，且平面度落差小于0.05 mm，滿足預(yù)期指標(biāo)及后續(xù)需求，指標(biāo)符合性如表3所列。

表3 指標(biāo)符合性

3.2 金相分析

取環(huán)境試驗(yàn)后的樣件沿基板對(duì)角線剖切進(jìn)行金相分析，基板和SMP金相剖切典型照片如圖10所示，焊接情況良好，在環(huán)境試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)裂紋和大尺寸焊接空洞。從基板和SMP金相剖切結(jié)果可以看出，所有焊點(diǎn)的焊縫厚度均勻，無(wú)可見裂紋，證明基板與SMP一體化焊接的可靠性。

圖10 基板與SMP金相剖切典型照片

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)相控陣天線收發(fā)組件中要求的145 mm×160 mm的RO4350B微波基板和39個(gè)SMP連接器安裝至鋁鍍銀機(jī)殼上，提出了大尺寸微波基板與連接器一體化精密裝焊方案。對(duì)工藝難點(diǎn)進(jìn)行分析并提出解決途徑，解決了焊接工藝中存在的空洞率、裝焊平面度、溫度不均衡等問(wèn)題。確定最終焊接工藝使基板與SMP連接器焊接指標(biāo)均滿足要求，有效焊接面積均可達(dá)85%，SMP連接器孔縫表面均填滿95%以上，同軸度偏差<0.05 mm，且平面度落差小于0.05 mm，裝配精度和質(zhì)量滿足型號(hào)需求，對(duì)于后續(xù)同類型產(chǎn)品具有借鑒意義。