相控陣?yán)走_(dá)天線焊接技術(shù)研究

劉志丹，張 飛，趙志平，陳 帥，羅小宇

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所， 陜西 西安710071)

相控陣?yán)走_(dá)具有波形變化靈活、波束掃描快、易于全固態(tài)化和輕小型化、可靠性高，容易實(shí)現(xiàn)天線共形設(shè)計(jì)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于陸基、?；?、機(jī)載雷達(dá)等幾乎所有領(lǐng)域[1，2]。相控陣?yán)走_(dá)與其他雷達(dá)在外觀上主要區(qū)別在于天線陣面的不同，相控陣?yán)走_(dá)的天線通常是一個(gè)平面，在這個(gè)平面內(nèi)按一定規(guī)律分布著許多天線單元，形成電子陣列，通過(guò)改變部分單元的相位，雷達(dá)的波束就能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)速度快于機(jī)械操作[3]。相控陣?yán)走_(dá)工作于微波頻段，天線作為其的重要組成部分，對(duì)接地和散熱性能以及可靠性都有較高的要求，相比于傳統(tǒng)的螺裝工藝，焊接技術(shù)更能滿足其高頻需求。

本文所述的相控陣?yán)走_(dá)天線是由陣面殼體、印制板和連接器組成，其裝配主要包括基板的大面積釬焊和連接器的焊接。針對(duì)以上兩種焊接技術(shù)國(guó)內(nèi)外均有研究，吳昱昆[4]提出了大面積基板的真空回流焊接工藝，解決了基板釬焊過(guò)程中助焊劑殘留和釬透率不足等問(wèn)題，基板釬透率提升到95%以上；王晶[5]采用真空釬焊的方法對(duì)微帶板與盒體之間進(jìn)行了大面積釬焊，釬焊釬透率達(dá)到60%以上；王松[6]針對(duì)連接器與基板焊接工藝分析，使用感應(yīng)焊和電阻焊兩個(gè)方法實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程，均能夠滿足焊接要求。針對(duì)該天線的焊接，研究了真空釬焊和真空汽相焊兩種焊接技術(shù)，使用釬焊工藝完成小型試驗(yàn)件的微波連接器、基板與陣面殼體的電和機(jī)械連接，通過(guò)對(duì)比研究和分析，最終采用真空汽相焊完成相控陣?yán)走_(dá)天線的裝配，焊接效果良好，滿足性能要求。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以一種相控陣?yán)走_(dá)天線為研究對(duì)象，分別使用低溫真空釬焊和真空汽相焊接兩種方式完成多層基板、連接器與陣面殼體的焊接，焊接一次完成。低溫真空釬焊采用真空/ 可控氣氛共晶爐GJL-2023（如圖1 所示），真空汽相焊采用Condens XM 焊接設(shè)備（如圖2 所示）。

陣面殼體基材選用鋁合金材料，表面鍍銀，厚度約為4.5 mm，多層基板焊接面鍍金，基板整體厚度約為5 mm，其中多層基板與天線陣面殼體之間焊料選用厚度為0.1 mm 錫鉛焊片，連接器與天線陣面殼體的焊料為預(yù)成型錫鉛焊環(huán)，整個(gè)組件裝配如圖3 所示。釬焊完成后，使用X 射線檢測(cè)儀檢測(cè)基板和連接器釬透率，使用專用工裝對(duì)連接器進(jìn)行插拔，檢測(cè)其焊接是否牢固。

圖1 真空/ 可控氣氛共晶爐

圖2 真空汽相焊設(shè)備

圖3 裝配示意圖

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

相控陣?yán)走_(dá)天線的焊接類似于基板與接地板的大面積焊接，常規(guī)焊接方法包括熱臺(tái)焊接、低溫真空釬焊、回流爐焊接等。熱臺(tái)焊接操作簡(jiǎn)單，無(wú)保護(hù)氣氛，釬透率低且難以保證焊接質(zhì)量；低溫真空釬焊可精確控制工藝曲線，操作簡(jiǎn)便，焊接一致性較好，并且能保證良好的釬透率，對(duì)焊接表面質(zhì)量要求較高，生產(chǎn)效率低；回流焊可提供保護(hù)氣氛，生產(chǎn)效率高，但其釬透率較低，并且針對(duì)較大組件升溫困難，傳送帶承重能力有限。真空汽相焊作為一種新型的焊接方式，具有加熱效率高，最高溫度可控等顯著優(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究有限，并且溫度曲線無(wú)法實(shí)測(cè)，更容易引發(fā)立碑缺陷、汽相液滲漏等不利因素，這些都影響了真空汽相焊的應(yīng)用和推廣[4-7]。汽相焊的缺點(diǎn)主要針對(duì)印制板組件，對(duì)于基板焊接不會(huì)帶來(lái)不良影響。為了保證良好的焊接質(zhì)量，本次試驗(yàn)主要研究低溫真空釬焊和真空汽相焊兩種焊接方法。

2.1 低溫真空釬焊

低溫真空釬焊是基板焊接的常見(jiàn)工藝，其工藝過(guò)程是將待焊部件、焊料及相應(yīng)工裝放置于低溫真空釬焊設(shè)備（試驗(yàn)使用的是真空/ 可控氣氛共晶爐）中，加熱至焊料熔化，焊接表面形成金屬間化合物，從而實(shí)現(xiàn)焊接。試驗(yàn)使用的GJL-2023共晶爐，其焊接過(guò)程示意圖如圖4 所示，通過(guò)PLC(可編程控制器) 控制設(shè)定的溫度與氣體流量，石英管輻射使加熱板升溫，加熱板與焊接組件接觸傳熱達(dá)到設(shè)定溫度完成焊接過(guò)程，整個(gè)過(guò)程可以在真空或者保護(hù)氣氛下進(jìn)行。

圖4 真空/ 可控氣氛共晶爐焊接示意圖

試驗(yàn)采用的低溫真空釬焊的工藝曲線如圖5所示，整個(gè)組件加熱時(shí)間約為600 s。初始預(yù)處理階段，通過(guò)進(jìn)行多次抽真空、充氮?dú)?，減少爐腔內(nèi)氧氣和水汽含量；升溫至一定溫度，進(jìn)入預(yù)熱階段，使得焊接表面溫度均勻，并且達(dá)到助焊劑活化溫度，去除表面氧化物，促進(jìn)焊料潤(rùn)濕；溫度進(jìn)一步上升，進(jìn)入焊接階段，并抽真空，峰值溫度設(shè)定為220 ℃，保溫一段時(shí)間完成焊接；焊接完成后充氮?dú)饪焖俳禍乩鋮s。焊接過(guò)程接近焊料熔點(diǎn)時(shí)抽真空，有利于減少鋪展過(guò)程中形成的空洞[8]。

對(duì)焊接后樣品進(jìn)行X 射線檢測(cè)，其結(jié)果如圖6 所示。試驗(yàn)階段只裝了16 個(gè)連接器，底部焊片面積也并未完全覆蓋，因此只統(tǒng)計(jì)連接器周圍的空洞率，空洞率約為50%左右，基板焊接效果較差，連接器焊接效果良好，并未發(fā)現(xiàn)貫穿性空洞。分析其原因，鍍銀器件容易發(fā)生氧化，焊接面狀態(tài)較差，焊片和被焊接件表面的氧化層未能完全有效地去除，從而影響了焊接釬透率；為保護(hù)插針，放置了墊板，墊板先接觸熱板，接著是多層介質(zhì)板和陣面殼體，整個(gè)組件厚度將近10 mm，組件溫度升溫緩慢，導(dǎo)致焊接效果較差。

圖5 低溫真空釬焊工藝曲線

圖6 X 射線檢測(cè)結(jié)果

低溫真空釬焊可以提供真空或保護(hù)氣氛環(huán)境，抑制釬焊過(guò)程中焊料與焊接面的氧化，還可通入甲酸等還原氣氛去除表面的氧化層，能保證一個(gè)較高的釬透率，其對(duì)組件焊接表面的潔凈度有較高的要求[4]。相比于基板、盒體焊接，共晶爐焊接更適合于功率芯片的共晶焊接，共晶芯片和載體的焊接面一般為鍍金，使用的焊料也多為金錫等高溫焊料，焊接表面狀態(tài)潔凈并良好，使用共晶爐焊接芯片能實(shí)現(xiàn)90%以上的釬透率[9]，通過(guò)嚴(yán)格控制工藝參數(shù)空洞率能控制在1%以內(nèi)[10]。本試驗(yàn)件殼體采用鍍銀，容易氧化，表面狀態(tài)差，使用的共晶爐焊接難以保證其釬透率，有必要采取其他焊接方式。

2.2 真空汽相焊

汽相焊接又叫凝熱焊接，它是一種利用飽和蒸汽為傳熱介質(zhì)、用汽化潛熱來(lái)加熱物體從而達(dá)到焊接溫度的焊接方法。其焊接過(guò)程示意圖如圖7 所示，進(jìn)行焊接時(shí)，對(duì)密封爐腔內(nèi)定量的惰性液體介質(zhì)即汽相液（通常是PFPE）進(jìn)行汽化處理，蒸汽冷凝放熱，將熱量有效傳遞到待焊組件上，介質(zhì)溫度保持不變，通過(guò)控制蒸汽的量控制焊接過(guò)程的溫度。同時(shí)汽相焊?jìng)鳠崴俾矢撸梢允箯?fù)雜結(jié)構(gòu)的組件均勻加熱升溫，所有部件均能同時(shí)達(dá)到焊接溫度，并且最高溫度焊接就是汽相液的沸點(diǎn)，溫度易于控制，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象[11]。

圖7 真空汽相焊接示意圖

真空汽相焊的工藝曲線如圖8 所示，通過(guò)控制注入汽相液的用量和時(shí)間控制焊接溫度曲線，整個(gè)組件加熱時(shí)間約為360 s。初始預(yù)處理階段進(jìn)行抽真空，真空環(huán)境下有利于汽相液的均勻注入；注入汽相液后，組件升溫，為預(yù)熱階段，助焊劑發(fā)揮作用；第二次注入汽相液，升溫至焊接溫度，在焊接階段抽真空，保溫一段時(shí)間完成焊接；焊接完成后抽出汽相液，進(jìn)行降溫冷卻。

汽相焊是非接觸傳熱，溫度場(chǎng)分布均勻，將焊片、焊環(huán)、連接器、基板、墊板裝配完成如圖9(a)所示，焊接完成后組件外觀如圖9(b)所示。表面鍍銀層未發(fā)生明顯氧化，連接器均焊接至陣面殼體上，使用萬(wàn)用表測(cè)量連接器內(nèi)導(dǎo)體均未短路，使用專用工裝插拔連接器，連接器焊接牢固。

圖8 真空汽相焊的工藝曲線

圖9 試驗(yàn)件外觀

對(duì)焊接后樣品進(jìn)行X 射線檢測(cè)，如圖10 所示，發(fā)現(xiàn)右側(cè)焊接空洞率較低，部分區(qū)域基本完全釬透，只存在細(xì)小空洞，組件中部焊接效果略差，即使焊接不良區(qū)域，釬透率也能達(dá)到50%以上，焊接空洞率低于共晶爐焊接試樣，組件整體釬透率達(dá)到75%以上，連接器處未發(fā)現(xiàn)貫穿性空洞。

圖10 X 射線檢測(cè)結(jié)果

采用真空汽相焊的試驗(yàn)件焊接效果良好，后期加電調(diào)試，符合設(shè)計(jì)性能要求。真空汽相焊為無(wú)氧環(huán)境，在惰性的汽相蒸氣中，使用了助焊劑，有助于焊料潤(rùn)濕和去除焊接表面氧化物，使表面的初始狀態(tài)更“敏感”，焊料熔化并潤(rùn)濕焊盤，增加了焊料的潤(rùn)濕速度，有助于焊料的鋪展，使組件空洞率明顯下降。該焊接設(shè)備支持最大尺寸650 mm×650 mm×150 mm，焊接支持最大承重10 kg，滿足天線陣面焊接尺寸。

通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)針對(duì)此類結(jié)構(gòu)組件真空汽相焊的焊接效果優(yōu)于低溫真空釬焊，確定使用汽相焊并配合相應(yīng)焊接工裝，優(yōu)化工藝參數(shù)，完成相控陣?yán)走_(dá)天線的焊接。

3 相控陣?yán)走_(dá)陣面天線的真空汽相焊接

本文研究的相控陣?yán)走_(dá)天線陣面尺寸約為350 mm×350 mm，印制板尺寸約為350 mm×160 mm，共有1 280 個(gè)連接器，陣面殼體材質(zhì)為鋁合金，采用3D 打印工藝完成，內(nèi)部含有流道，整體鍍銀，外觀如圖11 所示。天線陣面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，并且體積較大，難以返工，為保證焊接成功率，設(shè)計(jì)相應(yīng)工裝輔助定位，保護(hù)插針。

精密的焊接夾具，有助于提高焊接位置精度，提高焊接一致性。工裝分為墊塊與壓塊兩部分，墊塊為鋁制，已用于試驗(yàn)件焊接，保護(hù)插針并輔助定位，壓塊為銅制鍍鎳，提供焊接壓力，保證連接器底部與外殼壓緊，方便后續(xù)對(duì)接天線單元，整個(gè)焊接過(guò)程裝配示意如圖12 所示。

圖11 天線陣面外觀

圖12 工裝裝配示意圖

參照試驗(yàn)件焊接溫度曲線，提高汽相液的注入量，并延長(zhǎng)保溫時(shí)間。焊接完成后天線正面如圖13所示，連接器、印制板均與殼體焊接牢固，表面發(fā)生了部分氧化，表面質(zhì)量較試驗(yàn)件差。這可能是由于正樣采用3D 打印表面狀態(tài)與試驗(yàn)件不同，鍍銀表面在焊接過(guò)程中更容易發(fā)生氧化。用專用工裝對(duì)所有連接器進(jìn)行插拔測(cè)試，連接器未發(fā)生脫落；使用萬(wàn)用表測(cè)試連接器內(nèi)導(dǎo)體，均未發(fā)生短路。

圖13 焊接完成后天線

X 射線檢測(cè)結(jié)果如圖14 所示，陣面整體尺寸過(guò)大，對(duì)部分照片進(jìn)行分析，圖中顯示出8 個(gè)焊接部位，除最右側(cè)2 個(gè)焊接部位，釬透率在95%以上，有些部位只存在少量?jī)?nèi)部小空洞，最右上角部釬透率也能達(dá)到90%以上，右下角釬透率較差約為75%，整體釬透率達(dá)到90%以上，大面積接地焊接效果良好，連接器焊接處也未發(fā)現(xiàn)貫穿性空洞。

圖14 X 射線檢測(cè)結(jié)果

真空汽相焊的核心是將汽相液汽化后形成蒸汽來(lái)對(duì)焊料進(jìn)行熱交換，使焊料熔化而再次流動(dòng)浸潤(rùn)，通過(guò)控制焊接倉(cāng)內(nèi)蒸汽密度變化來(lái)改變升溫速率，并通過(guò)真空焊接環(huán)境減少空洞、錫珠、助焊劑污染等缺陷。研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)大尺寸、大質(zhì)量的基板與連接器焊接，特別是類似于相控陣?yán)走_(dá)天線陣面，采用真空汽相焊能達(dá)到良好的焊接效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究低溫真空釬焊和真空汽相焊兩種焊接方法，完成了相控陣?yán)走_(dá)天線試驗(yàn)件的裝配，發(fā)現(xiàn)2 種方式對(duì)于連接器焊接效果良好，均未發(fā)現(xiàn)貫穿性空洞，對(duì)于大面積基板焊接，低溫真空釬焊只有50%左右的釬透率，而真空汽相焊能保證75%以上的釬透率。通過(guò)研究和分析，選用真空汽相焊完成最終產(chǎn)品的焊接，設(shè)計(jì)焊接工裝，優(yōu)化工藝參數(shù)，焊接后釬透率能達(dá)到90%以上。真空汽相焊適合于大面積基板焊接，可有效解決大尺寸、大質(zhì)量組件的焊接難題，為此類結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品焊接提供了實(shí)用的工藝途徑。