基于陶瓷基板一體化封裝的高可靠性LC濾波器組裝工藝研究

李亞飛,溫桎茹,蒲志勇,張鈞翀,張 偉,董 姝,吳 秦

(中國(guó)電子科集團(tuán)公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

LC濾波器作為射頻系統(tǒng)濾波功能器件,其設(shè)計(jì)及封裝結(jié)構(gòu)靈活[1-2]。隨著無(wú)線通訊設(shè)備小型化、高性能的發(fā)展,對(duì)LC濾波器產(chǎn)品的集成度和質(zhì)量可靠性提出了更高要求。常規(guī)的金屬封裝類LC濾波器通常將焊接后的PCB電路板通過(guò)燒焊方式固定在金屬外殼內(nèi),并依靠射頻引針進(jìn)行信號(hào)導(dǎo)出,裝配過(guò)程中易出現(xiàn)印制板翹曲變形、電路焊接空洞及電容損傷等問(wèn)題[3-4],制約了產(chǎn)品體積的進(jìn)一步縮小,裝配效率和產(chǎn)品質(zhì)量難以得到保證。

目前陶瓷基板憑借介電損耗小,布線密度高及良好的溫度特性等優(yōu)點(diǎn)[5-6],成為了一種理想的高密度集成用主流基板。與常規(guī)PCB電路板相比,陶瓷基板具有更高的硬度,生產(chǎn)過(guò)程中不易發(fā)生變形,能與金屬圍框直接釬焊連接,形成一體化封裝結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)較好的機(jī)械強(qiáng)度和氣密性。在此結(jié)構(gòu)中,陶瓷基板作為封裝體的一部分,無(wú)需額外對(duì)電路基板進(jìn)行封裝[7-8];在高度集成小型化的同時(shí),能有效地提高裝配效率,節(jié)約封裝成本。

本文基于陶瓷基板一體化封裝結(jié)構(gòu)的LC濾波器進(jìn)行了組裝工藝方法創(chuàng)新研究,以不同的方式實(shí)現(xiàn)了繞線電感和片式電容的預(yù)固定,確保元件在焊裝過(guò)程不會(huì)發(fā)生移位偏斜,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品回流焊接的目的,提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量可靠性。

1 產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)介紹

本文研究的LC濾波器將低溫共燒陶瓷(LTCC)電路基板與金屬圍框高溫釬焊連接形成一體化封裝結(jié)構(gòu),制成產(chǎn)品的尺寸為12 mm×9 mm×4 mm,產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。因LC濾波器高頻特性,其基板采用共焊盤(pán)設(shè)計(jì),裝配時(shí)需將繞線電感和片式電容元件焊接在腔體內(nèi)的基板上,完成調(diào)試后采用硅橡膠涂覆固定繞線電感,提升其抗振性能,腔體頂部采用平行縫焊方式實(shí)現(xiàn)蓋板和圍框的密封焊接。

圖1 產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)圖

該產(chǎn)品為表面貼裝使用需求,故內(nèi)部元器件采用無(wú)鉛焊料(SAC305合金)高溫焊接。元件尺寸小,排布密集,需在狹小的圍框內(nèi)采用手工焊裝元件,故生產(chǎn)效率極低,且焊接過(guò)程中易發(fā)生元件損傷、潤(rùn)濕不良等缺陷,返工則會(huì)帶來(lái)可靠性隱患。此外,在檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品中,因多次焊接和共焊盤(pán)問(wèn)題也出現(xiàn)了后續(xù)試驗(yàn)和使用過(guò)程中產(chǎn)品失效的情況。為了提升該類型產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量可靠性,工藝方法的創(chuàng)新研究迫在眉睫。

2 工藝設(shè)計(jì)

隨著電子產(chǎn)品微型化,表面貼裝技術(shù)(SMT)發(fā)展日趨完善,回流焊[9-10]作為主流釬焊技術(shù)發(fā)展迅猛,被廣泛應(yīng)用于組裝領(lǐng)域。相比于手工焊接,回流焊接能夠?qū)崿F(xiàn)焊料一次性熔化,避免了元器件的多次焊接熱沖擊,且具有較好的焊接一致性。因此,確保繞線電感在回流過(guò)程中保持豎立及避免共焊盤(pán)貼裝的片式電容歪斜偏移成為該類型結(jié)構(gòu)LC濾波器裝配時(shí)需要解決的難題。

本文在回流焊前對(duì)元件進(jìn)行預(yù)固定,利用電阻點(diǎn)焊方式對(duì)繞線電感引腳進(jìn)行鍵合,點(diǎn)涂貼片紅膠對(duì)片式電容進(jìn)行粘結(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)繞線電感和片式電容在焊盤(pán)上的預(yù)固定以及元器件的回流焊接,其工藝實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品裝配原理圖

2.1 繞線電感點(diǎn)焊

由于繞線電感不具備片式元件的貼裝穩(wěn)定性,所以需要采用特殊方法使繞線電感的引腳與基板保持相對(duì)固定。文獻(xiàn)[11-12]表明,在合適的工藝參數(shù)下使用點(diǎn)焊機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小線徑漆包線的去漆和焊接,焊接后得到細(xì)小牢靠的焊點(diǎn),焊面光滑,焊接件電接觸良好。電阻點(diǎn)焊的焊接原理是將被焊工件壓緊于兩電極之間,利用電流流經(jīng)工件接觸面以及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱,將其加熱到熔化或塑性狀態(tài),使之形成金屬結(jié)合的一種方法。如圖3所示,將漆包線引腳和焊盤(pán)金屬基底作為搭接接頭,焊接壓頭向下施加壓力,并施加足量電流經(jīng)焊接壓頭傳出,電流流經(jīng)漆包線與焊盤(pán)的接觸面,產(chǎn)生的電阻熱使漆包線發(fā)生局部熔化,與焊盤(pán)形成冶金結(jié)合。

圖3 漆包線點(diǎn)焊工作原理圖

本文使用的點(diǎn)焊設(shè)備由電源發(fā)生裝置、視屏放大系統(tǒng)、點(diǎn)焊壓頭和控制踏板組成。點(diǎn)壓操作過(guò)程在視屏放大系統(tǒng)觀察下進(jìn)行,如圖4所示。待焊接的繞線電感采用QA/QY等型漆包線繞制,線徑范圍為?(0.1～0.3 mm),引腳彎折長(zhǎng)度約1 mm。為降低繞線電感引腳加壓鍵合時(shí)所施加的能量,減少對(duì)漆包線和陶瓷基板的損傷,將漆包線提前進(jìn)行搪錫處理,搪錫處理時(shí)采用SAC305焊料,與最終回流焊接焊料保持一致。

圖4 點(diǎn)焊設(shè)備

電阻點(diǎn)焊預(yù)固定的實(shí)現(xiàn)過(guò)程:

1) 輸入焊接參數(shù):電壓100～120 V,維持時(shí)間2～3 s。

2) 調(diào)整焊頭與電感間的相對(duì)位置,焊頭施加壓力,使電感引腳與焊盤(pán)緊密貼合。

3) 踩下控制踏板,焊頭釋放電流。

4) 完成焊接后升起壓頭,檢驗(yàn)點(diǎn)焊效果。

圖5為點(diǎn)焊完成后形成的連接點(diǎn)。電感引腳局部發(fā)生少量變形,通過(guò)陶瓷基板焊盤(pán)和漆包線界面的焊料熔融實(shí)現(xiàn)電感引線與基板焊盤(pán)上的固定連接,從而保證回流焊接時(shí)繞線電感的豎直挺立。

圖5 繞線電感點(diǎn)焊形貌

因繞線電感本體自重較大,后續(xù)機(jī)械和熱沖擊時(shí)會(huì)影響其連接界面強(qiáng)度,且產(chǎn)品在調(diào)試過(guò)程中需要對(duì)繞線電感的形狀和位置進(jìn)行重新擺放,這使點(diǎn)壓鍵合界面因受力而導(dǎo)致脫鍵。單純依靠鍵合界面連接難以保證后續(xù)應(yīng)用中的較高可靠性,因此,在該產(chǎn)品裝配中點(diǎn)壓鍵合只作回流焊接過(guò)程中的繞線電感的引腳固定,其連接強(qiáng)度需依靠引腳位置施加的焊料熔融焊接保證,即后續(xù)回流焊接過(guò)程。

2.2 紅膠粘片

使用貼片紅膠粘結(jié)片式電容屬于較為成熟的SMT工藝制程,紅膠施加通常采用噴涂或印刷的方式進(jìn)行。因本產(chǎn)品基板上金屬圍框的存在,可選用點(diǎn)膠機(jī)(或噴印機(jī))點(diǎn)涂方式在待貼片電容焊盤(pán)中間位置涂布紅膠。選定合適針頭后,依靠調(diào)節(jié)點(diǎn)膠機(jī)氣壓大小和定時(shí)長(zhǎng)短來(lái)調(diào)節(jié)紅膠涂布劑量。

采取真空吸筆或鑷子拾取片式電容進(jìn)行貼裝,嚴(yán)禁裸手觸碰,避免影響元件焊端的后續(xù)可焊接性。片式電容應(yīng)貼放在制定焊盤(pán)中央,左右和上下偏差在規(guī)定范圍內(nèi)。隨后將產(chǎn)品置于85 ℃烘箱烘烤30 min,實(shí)現(xiàn)紅膠固化。圖6所示為產(chǎn)品腔內(nèi)的片電容貼裝情況。

圖6 片式電容貼裝圖

2.3 回流焊接

在完成繞線電感引腳點(diǎn)焊、片式電容紅膠粘接的預(yù)固定工作后,用點(diǎn)膠機(jī)在待焊接焊盤(pán)和元器件焊端處點(diǎn)涂適量的焊錫膏(SAC305)。焊錫膏以充分包裹焊端和待焊接面為宜。點(diǎn)涂完焊錫膏后,將產(chǎn)品放入回流爐完成回流焊接裝配過(guò)程,即焊錫膏合金熔化,充分潤(rùn)濕包裹繞線電感引線和片式電容端頭,并形成冶金連接。繞線電感引腳焊點(diǎn)的形成過(guò)程如圖7所示。

圖7 繞線電感焊接過(guò)程

在回流焊接過(guò)程中,由于繞線電感和片式電容與基板的預(yù)固定,高溫下熔融焊料產(chǎn)生的表面張力及爐腔內(nèi)的熱風(fēng)不足以使元件發(fā)生位移。因此,濾波器內(nèi)部的元件仍處于預(yù)固定的原位置,繞線電感直立無(wú)傾斜歪倒,制成的產(chǎn)品實(shí)物如圖8所示。

圖8 裝配產(chǎn)品實(shí)物

2.4 助焊劑清洗

與常規(guī)淺腔式LC濾波器相同,元器件焊接完成后進(jìn)入清洗工序。因產(chǎn)品的圍腔結(jié)構(gòu),細(xì)間距下的助焊劑殘留和繞線電感引腳損傷是較常見(jiàn)的問(wèn)題,甚至比焊接工序?qū)Ξa(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量可靠性的影響更大。因此,調(diào)研選用對(duì)應(yīng)水基溶劑浸泡30 min,并利用微壓水柱進(jìn)行加壓噴淋清洗,代替原有手工刷洗作業(yè),清洗設(shè)備如圖9所示。使用該清洗方式可在保證助焊劑清洗質(zhì)量的同時(shí),最大限度地保護(hù)繞線電感引腳等易損傷元件,產(chǎn)品清洗效果獲得極大改善,檢驗(yàn)合格率達(dá)到100%。

圖9 噴淋清洗設(shè)備

由于元器件參數(shù)的離散性,需要手工對(duì)繞線電感的位置和疏密間距進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整時(shí)應(yīng)使用非尖銳的塑料鑷子和專用工裝以避免對(duì)繞線電感的漆包線損傷。完成電性能調(diào)試后還需對(duì)繞線電感點(diǎn)膠固化,并采用平行縫焊的方式將金屬蓋板封焊在金屬圍框上端,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的氣密性封裝,最終完成制作。

3 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

在完成上述工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,基于陶瓷基板一體化封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行LC濾波器設(shè)計(jì),并開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 電學(xué)性能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款標(biāo)稱頻率為175 MHz,-1 dB帶寬為20 MHz的六階橢圓函數(shù)帶通濾波電路,設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如表1所示。電路采用六階橢圓函數(shù)低通濾波器,通過(guò)節(jié)省繞線電感繞組的帶通變換,得到最終電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高矩形系數(shù)和低插入損耗的電學(xué)性能,遠(yuǎn)端帶外抑制效果好,同時(shí)具有較小繞線電感數(shù)量的特點(diǎn),便于產(chǎn)品體積小型化和工藝裝配操作。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

圖10 六階橢圓函數(shù)帶通濾波器

3.2 指標(biāo)測(cè)試

采用本文工藝制作濾波器實(shí)物,并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)可靠性試驗(yàn),產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果如圖11所示。由圖可知,產(chǎn)品試驗(yàn)前后測(cè)試曲線吻合較好,-1 dB帶寬為25 MHz,插入損耗小于3 dB,在f0±40 MHz處帶外抑制為53 dBc,在800～1 000 MHz處帶外抑制為80 dBc,與表1設(shè)計(jì)要求相符。電性能指標(biāo)跟理論仿真結(jié)果略有差異,其原因在于理論仿真時(shí)未考慮封裝腔體射頻反射、繞線電感的寄生參數(shù)及其之間互感因素,在后續(xù)迭代版本中可進(jìn)行優(yōu)化改善。

圖11 產(chǎn)品實(shí)測(cè)曲線圖

3.3 生產(chǎn)檢驗(yàn)

對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤記錄,并對(duì)元器件焊接和清洗質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn),統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)合格率。裝配要求元器件無(wú)損傷和偏移歪斜;焊點(diǎn)光亮潤(rùn)濕,無(wú)虛焊、少錫等缺陷;清洗潔凈,無(wú)助焊劑殘留等多余物。采用本文工藝方案裝配60只LC濾波器,檢驗(yàn)合格率達(dá)到100%,能有效避免因焊接和返工導(dǎo)致的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

4 可靠性驗(yàn)證

4.1 溫度和力學(xué)試驗(yàn)

溫度和力學(xué)試驗(yàn)?zāi)軌蚱鸬教嵩绫┞懂a(chǎn)品潛在缺陷的作用,是考察產(chǎn)品可靠性的有效手段。表2為產(chǎn)品的篩選試驗(yàn)條件(試驗(yàn)一)及試驗(yàn)結(jié)果。從通過(guò)篩選試驗(yàn)的樣本中隨機(jī)抽取6只進(jìn)行加嚴(yán)考核,表3為產(chǎn)品的加嚴(yán)考核試驗(yàn)條件(試驗(yàn)二)及試驗(yàn)結(jié)果。由表3可見(jiàn),基于該工藝方案裝成的LC濾波器電指標(biāo)穩(wěn)定,合格率為100%,滿足高可靠應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

表2 篩選試驗(yàn)項(xiàng)目(試驗(yàn)一)

表3 加嚴(yán)考核試驗(yàn)項(xiàng)目(試驗(yàn)二)

4.2 片式電容剖樣

片式電容器是由印刷電極金屬漿料和陶瓷介質(zhì)疊層燒制而成,因陶瓷的韌度及耐彎曲能力差,極易出現(xiàn)陶瓷體斷裂或微裂紋失效[13]。尤其當(dāng)微裂紋出現(xiàn)在陶瓷內(nèi)部時(shí),電性能測(cè)試和篩選試驗(yàn)難以有效剔除該類型缺陷,進(jìn)而影響產(chǎn)品的應(yīng)用可靠性。

在試驗(yàn)二中隨機(jī)抽取2只LC濾波器,采用破壞性物理分析方法對(duì)內(nèi)部的片式電容進(jìn)行DPA試驗(yàn),典型金相形貌如圖12所示。試驗(yàn)后的LC濾波器,片式電容的陶瓷體完好無(wú)裂紋,表明該工藝方案制成的LC濾波器能夠耐受嚴(yán)苛的試驗(yàn)條件,沒(méi)有片式電容陶瓷體微裂紋的失效隱患,具有較高的可靠性。

圖12 片式電容DPA金相

綜上所述,本文所開(kāi)發(fā)的陶瓷基板一體化封裝的LC濾波器裝配工藝成熟穩(wěn)定,操作一致性高,能夠滿足批量生產(chǎn)的要求,制成的產(chǎn)品具有較高的可靠性,現(xiàn)已被應(yīng)用于嚴(yán)格環(huán)境中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文借助電感壓焊和紅膠粘片方式完成繞線電感和片式電容的預(yù)固定,實(shí)現(xiàn)了陶瓷基板一體化封裝結(jié)構(gòu)的LC濾波器回流焊接開(kāi)發(fā)。采用微壓水柱完成細(xì)間距助焊劑清洗,指標(biāo)調(diào)試后平行焊封裝成產(chǎn)品。對(duì)于該類陶瓷基板一體化封裝結(jié)構(gòu)的LC濾波器,本文工藝方案能夠保證較高的裝配成品率和產(chǎn)品可靠性,滿足批量化生產(chǎn)需求。