微波多基板组件焊接工艺研究

云脑智库 2021-05-01 00:00

摘要：：

由于微波组件电路工作频率高，接地要求高，对于电路基板与金属外壳之间的“大面积接地”多采用钎焊工艺。多基板产品的焊接钎透率和基板的精确定位一直是工艺过程中的技术难点。研究了焊料选择、基板定位工装的制备、金导带关键区域保护、焊接工艺选择及优化，将焊接有效面积提高到了95%以上，基本达到了无空洞焊接。

关键词：微波组件；基板；大面积钎焊；钎透率

中图分类号：TN605文献标识码：Ａ文章编号：1001-3474（2020）03-0163-04

由于微波组件电路工作频率高，接地要求高，因此多采用钎焊方法来实现微波电路基板与金属外壳之间的“大面积接地”。将基板与金属外壳进行互联时，实现的方法主要有导电胶粘接和钎焊。与导电胶粘接工艺相比，焊接具有微波损耗小、接触电阻小、热导率高和结构强度大等优点，特别适用于微波电路基板与外壳的焊接[1-3]。

对于多基板微波组件，基板定位和保证焊接质量一直是焊接工艺中的技术难点。本文以某型号T/R组件为例，研究多基板焊接的工艺方法。

1 样品模型简介

某型号T/R组件，具有8个钼铜载体（尺寸为4mm×4mm）、8个环行器（尺寸为7mm×7mm）、11块微带板（1块尺寸为69.7mm×39mm，10块尺寸为7mm×4mm）、156个表贴器件，如图1所示。钼铜载体、环行器和块微带板的表面镀金，作为工艺实施过程中的基板材料。

该型号产品元件数量多，一次焊接需保证多个技术指标实现，实施难度较大。主要工艺难点在于三个方面。

图1 某型号T/R组件

1)基板定位

该型号产品总计27块基板（8个钼铜载体、8个环行器、11块微带板）。基板表面需施加一定的压力，同时应保证定位准确，需要采用专用的工装。

2)避免锡污染

焊接过程中焊锡飞溅，易污染钼铜载体、环行器、块微带板表面镀金的关键区域，导致后道工序无法实施，造成产品报废。为避免该现象的发生，焊接前需对关键区域进行充分保护。

3)焊接钎透率

微波电路的焊接钎透率主要影响电路串扰和插入损耗，直接反映接地效果，是影响T/R组件性能的一个重要指标。工艺过程中需要针对性地优化焊接温度曲线，控制真空度，同时应减少空洞，保证微波电路基板的钎焊接地效果。

对于微波电路的接地连接，基板焊接一般要求有效焊接面积达到85%以上。该型号产品由于是多基板大面积焊接，任何一个较大面积的空洞都可能造成整只产品的不合格。同时，采用工装进行多基板定位，造成热容量偏大，焊接过程难以均匀加热，造成部分区域/元件过焊。

2 工艺难点分析及工艺路径

2.1 焊料选择

焊料的选用非常关键，通常应综合考虑焊接界面材料镀层的可焊性和耐焊性、焊料的电阻率

和器件可承受的最高温度，以及焊接工艺等诸多因素。当有阶梯焊要求时，应采用共晶温度较高的焊料[4]。在本产品中，考虑到基板与外壳焊接后，温度没有高于150 ℃的工艺情况，焊料选用了业界常

用的Sn63Pb37焊片。表贴器件焊接选用Sn63Pb37或Sn62Pb36Ag2焊膏。

2.2 基板定位

为确保装配精度和达到理想的钎透率，需要定制专用精密工装夹具。

工装夹具的设计首先应考虑夹具的结构，要求定位精度高，热容量小，产品装卸方便；其次应综合考虑夹具材料的热特性、可加工性、耐用性等因素。对于该型号产品应着重关注基板定位的准确性和各基板压力的合理性。

相较其他金属，铝合金作为夹具材料易加工，具有密度低，导热性能优良，热变形小的特点。夹具结构如图2所示。

图2 某型号T/R组件专用工装夹具

待焊接组件首先放置在底面压块凹槽之上，凹槽可以对组件精确定位；焊料片与基板依次放在

指定位置；安装上压压块，上压压块开有圆孔，内置装有高温弹簧的导柱压块，给基板施加恒定的压力，使基板、焊料片和底座紧密压合，提高焊接面的均匀性以减少焊接空洞；左右压块用于固定其他待焊接器件。

2.3 避免锡污染

内部基板、环行器等表面为镀金材质，焊接前需进行充分保护，防止焊接时锡污染。选择高温胶带或阻焊胶进行局部保护。由于焊接温度可达220 ℃，要求高温胶带或阻焊胶的长期耐温性应不低于240 ℃，同时要求去除时不留残胶。

2.4 钎焊焊接

由于该型号产品焊接面积较大（65mm×50mm），工装装夹后质量较大（700g），热容量大，而基板焊接工艺为多基板同时焊接，焊接过程难以均匀加热，造成部分区域/元件过焊。常用的热台焊、热风再流焊、真空热风再流焊，均难以达到相应技术要求，焊接钎透率偏低，存在较多空洞。

真空汽相再流焊焊接工艺利用饱和蒸汽潜热作为传热介质，当组件进入焊接蒸汽时，蒸汽在较低温度的组件表面迅速冷凝并直接释放大量热量熔化焊料。用于本产品的焊接时，一次装配待焊接器件，大面积焊接气泡得到有效控制，大幅提高了基板焊接钎透率。这种工艺具有温度均匀、对器件大小和形状不敏感等优点，被广泛用于一些高难度电子产品的焊接中，特别是军工电子产品中。与其他再流焊工艺相比主要具有以下优点：

1）由于焊接过程处于恒定温度的汽相场中，汽相潜热释放对器件的大小和形状不敏感，所以可以均匀加热整个组件。特别适用于高热容量产品、大尺寸基板与底座、超大型元器件以及形状复杂的产品；

2）焊接温度由加热介质决定，可根据不同焊接温度的要求选择不同沸点的焊接介质，不易发生过焊；

3）汽相再流焊设备的汽相场中是介质的饱和蒸汽，密度比空气大得多，即氧含量极低，可以形成高质量的焊接；

4）热转化率高，在相变传热中，热转换率高。

3 工艺实施过程中影响质量的因素

3.1 焊接温度曲线

热风再流焊的传热系数约20 W/m2K。Bell H等人的传热系数测试结果表明，汽相再流焊的传热系数可达300 W/m2K[5]。可见，汽相再流焊的加热效率非常高，是热风再流焊的15倍。加热效率高是优点，但也带来了升温速率和曲线形状调节难度偏大的困难。

前期试验中，参考早期文献中的温度曲线（如图3所示）进行焊接，出现了较多元器件立碑、焊锡飞溅等质量问题。

图3 汽相再流焊温度曲线

器件立碑、焊锡飞溅等问题产生主要原因之一就是预热时间较短和预热温度较低。对于有铅焊料，结合标准温度曲线，可明显看出，焊接预热温度和预热时间偏短。

使用某型号真空汽相回流焊设备，在预热，焊接，抽真空过程中，通过控制各阶段汽相液喷射量和过程时间，可以灵活控制焊机温度曲线。

通过多次实际测温，调整各阶段汽相液喷射量，延长了预热时间，提高了预热温度，优化后的预热和焊接总时间为305s。曲线为两段预热和一段焊接。第一段120℃，200s；第二段150℃，50s；第三段210℃，55s。经试验和长期生产验证，元器件立碑、焊锡飞溅等质量问题明显减少。

3.2 焊接真空度

在低温预热及焊接过程中，助焊剂中溶剂的挥发，有机酸与焊接面金属氧化物反应均可产生大量气泡，气泡大部分被排出。由于熔融焊料的表面张力，以及冷却阶段焊料表面氧化膜的形成，阻碍了部分气泡的排出，焊锡冷却凝固后，就会残留下一定数量的空洞[6]，如图4所示。

对于大基板焊接上述现象更为明显，气泡更难排出。该型号产品有一块基板面积较大（69 .7mm×39mm），需要采用其他措施将气泡排出，抽真空是一种有效的解决方法。

图4 空洞形成机理图

真空汽相回流焊设备在加热结束时抽真空可以破坏熔融焊锡料的表面张力，可以将气泡吸 “出”。经多次试验验证，当真空度达到0.1 kPa时，焊接空洞明显减少。

3.3 焊接压力

该型号产品部分基板面积较大，而焊料片的厚度又相对较薄，焊接过程依靠焊锡料的表面张力难以做到与外壳的均衡接触，造成空洞偏大。因此，根据基板焊接面积的大小、焊料溢出情况和焊接钎透率效果，有针对性地在基板表面施加特定的压力，确保基板与外壳之间的均衡接触，形成良好焊接的必要条件，同时应避免压力施加过大，将焊料从基板底部边缘挤出，产生锡污染。

经多次试验验证，压力设置为0.1 g/mm2较为适宜。压力的施加通过上压压块的内置高温弹簧为基板施加恒定的压力，使基板、焊料片、底座紧密结合。

3.4 焊料片厚度及大小

焊料片厚度及大小选择由焊接压力、焊后焊接空洞率和基板四周焊料溢出情况进行确定。焊料量由焊料的厚度和大小决定，厚度及大小的确定原则为：焊接时填平基板与外壳之间的缝隙，确保钎透率满足要求，同时基板四周不出现焊料过度溢出。

针对不同厚度和大小的焊料片进行了相关试验，见表1。

序号	焊料片厚度/μm	焊料片占基板面积比/%	试验效果
1	50	70	焊接空洞偏大，边缘存在缝隙
2	50	80	焊接空洞偏大，边缘存在缝隙
3	50	90	焊接空洞偏大，边缘存在缝隙
4	50	100	焊接空洞偏大，边缘焊料填充完整
5	70	70	焊接钎透率满足要求，边缘存在缝隙
6	70	80	焊接钎透率满足要求，边缘存在缝隙
7	70	90	焊接钎透率满足要求，边缘存在缝隙
8	70	100	焊接钎透率满足要求，边缘焊料填充完整
9	80	70	焊接钎透率满足要求，边缘存在缝隙
10	80	80	焊接钎透率满足要求，边缘存在缝隙
11	80	90	焊接钎透率满足要求，边缘焊料填充完整
12	80	100	焊接钎透率满足要求，焊料轻微溢出
13	100	70	焊接钎透率满足要求，边缘存在缝隙
14	100	80	焊接钎透率满足要求，边缘焊料填充完整
15	100	90	焊接钎透率满足要求，焊料溢出偏多
16	100	100	焊接钎透率满足要求，焊料溢出偏多

从表1可总结出，焊料片厚度70μm、面积占比100%，厚度80μm、面积占比90%，厚度 100 μm、面积占比80%时焊接效果较好。为方便焊料片的居中定位和装架，保证焊接的一致性，提高生产效率，更倾向于使用与基板面积相同的焊料片。因此，针对该型号产品选定焊料片规格为厚度70 μm、面积占比100%。

4 结论

采用上述优化工艺，某型号T/R组件焊接有效焊接面积≥95%，如图5所示，基本达到了无空洞焊接。

图5 某型号T/R组件X-ray检测结果

通过研究基板定位、金导带关键区域保护、焊料选择、焊接工艺选择以及工艺参数优化，解决了微波组件多基板焊接技术难题，工艺技术已达到实用化要求。

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