王 松，王俊峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

在航空通信、航天測(cè)控、雷達(dá)偵察領(lǐng)域的電子設(shè)備中大量應(yīng)用了微波連接器，微波連接器的結(jié)構(gòu)和制造以及裝配技術(shù)直接影響著電性能。與基板連接的微波連接器通常采用螺裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式無(wú)法使模塊的重量、體積、外形進(jìn)一步減小，同時(shí)對(duì)電路性能和加工制造也造成一定的影響。

隨著電子設(shè)備小型化、輕量化、高可靠性要求的日益提高，對(duì)模塊等單元結(jié)構(gòu)的小型化和輕量化也提出了要求[1]。同時(shí)，也對(duì)微波連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相適應(yīng)的制造工藝提出了相應(yīng)的要求，根據(jù)微波連接器結(jié)構(gòu)和電路功能特征，微波連接器與基板之間通過(guò)螺釘連接，不僅容易損壞基板，而且由于連接間的空隙，L波段以上電路將會(huì)發(fā)生S參數(shù)頻率漂移、傳輸損耗增加、可靠性降低等現(xiàn)象[2,3]，并且使用螺紋連接會(huì)使得在射頻信號(hào)傳輸線路中產(chǎn)生尖端，增加微波傳輸過(guò)程中的損耗，這使得使用焊接代替螺紋連接具有重要意義。

研究使用釬焊工藝替代螺接工藝，實(shí)現(xiàn)微波連接器與基板的電和機(jī)械連接，可以使連接面圓滑、一致，可靠接觸無(wú)間隙，焊接的連接方式能夠更好地適應(yīng)高頻微波電路的要求[4]，也為微波電子產(chǎn)品的小型化、輕量化、高可靠性提供實(shí)用的工藝途徑。

2 釬焊工藝設(shè)計(jì)

2.1 試件描述

一種典型的連接器與基板垂直連接的結(jié)構(gòu)如圖1所示，基板上等間距布置4個(gè)孔安裝連接器，四周的3個(gè)孔與連接器外導(dǎo)體連接，中間的1個(gè)孔與連接器內(nèi)導(dǎo)體連接。

圖1 連接器與基板焊接示意圖

連接器與基板互聯(lián)大面積焊接，大面積焊接沒(méi)有準(zhǔn)確的尺寸定義，一般認(rèn)為焊接面積大于1 cm2就是大面積焊接，焊接工藝流程為：（1）在基板正面印刷焊膏；（2）使用大面積焊接工藝把連接器的外導(dǎo)體底座焊接到基板正面；（3）使用X射線工藝檢驗(yàn)大面積焊接釬透率。

2.2 印刷網(wǎng)版設(shè)計(jì)

考慮批量生產(chǎn)的方便性，筆者采用和SMT工藝相同的方法在基板上印刷焊膏，焊膏的圖形設(shè)計(jì)參考連接器接地底座外形，在接地底座的外形基礎(chǔ)上外擴(kuò)0.4 mm，如圖2所示，同時(shí)制作了0.13 mm和0.15 mm的不銹鋼網(wǎng)版，供試驗(yàn)印刷焊膏使用。

圖2 印刷網(wǎng)版圖形

2.3 焊接方法及參數(shù)設(shè)計(jì)

焊膏印刷完成后，把連接器手動(dòng)安裝在基板上，并把連接器扶正。為了實(shí)現(xiàn)大面積焊接，需要加熱焊膏，使錫膏熔化，加熱焊膏的方法主要有三種：（1）電烙鐵加熱；（2）電阻焊加熱；（3）感應(yīng)焊加熱。

（1）電烙鐵加熱

使用電烙鐵加熱需要自制鏟形烙鐵頭，并且使用大功率烙鐵，經(jīng)過(guò)測(cè)試，由于連接器散熱面積過(guò)大，使用電烙鐵需要5 min以上才能使焊錫熔化，并且由于熱量不足，溫度上升速度慢，不能形成良好的焊縫，焊接效果不佳，使用電烙鐵加熱達(dá)不到大面積焊接工藝的要求。

（2）電阻焊加熱

為了增大加熱功率，筆者采用了電阻焊方法加熱，設(shè)計(jì)如圖3所示的兩個(gè)哈夫夾頭。焊接時(shí)，把夾頭夾在連接器根部靠近底座的位置，兩個(gè)夾頭之前保留一定間隙，通電，夾頭和連接器之間的接觸電阻最大，發(fā)熱量最高，經(jīng)過(guò)測(cè)試，2 500 W電阻焊機(jī)在50%功率下通電15 s焊膏開始熔化，20 s完成焊接。

圖3 電阻焊夾頭

此外，在使用電阻焊的過(guò)程中特別注意夾頭和連接器接觸面需要光滑，無(wú)點(diǎn)接觸，否則極易產(chǎn)生尖端放電，打火燒傷連接器和電阻焊夾頭。

（3）感應(yīng)焊加熱

為了進(jìn)一步提高加熱功率和焊接效率，筆者還采用了感應(yīng)焊加熱。感應(yīng)焊加熱需要設(shè)計(jì)感應(yīng)加熱線圈（如圖4），由3個(gè)U形組成。工作時(shí)，把線圈的凹槽放到連接器根部，不與連接器接觸。通高頻電流時(shí)，產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，在連接器、焊盤、焊膏中由于渦流的作用發(fā)熱，經(jīng)過(guò)測(cè)試，使用5 kW的感應(yīng)焊機(jī)在48%的功率下3.5 s焊料開始熔化，6 s完成焊接。

圖4 感應(yīng)焊線圈

在焊接試驗(yàn)中，分別使用了0.13 mm和0.15 mm的印刷網(wǎng)版，使用0.13 mm網(wǎng)版時(shí)，焊接完成后在底座的周圍容易產(chǎn)生縫隙；而使用0.15 mm網(wǎng)版時(shí)，增加焊料，底座周圍產(chǎn)生縫隙的情況大大減少。此外，連接器和基板的垂直度也直接影響焊接縫隙的產(chǎn)生。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 外觀分析

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，只要選用合適的焊接參數(shù)，電阻焊和感應(yīng)焊均能夠較快地加熱使焊料熔化完成焊接，兩種焊接方法完成連接器焊接的焊縫照片如圖5所示，焊縫連續(xù)，無(wú)縫隙，潤(rùn)濕情況良好。

圖5 焊縫外觀

3.2 X射線釬透率分析

釬透率是衡量大面積釬焊效果的重要指標(biāo)，大面積釬焊的釬透率不僅影響連接強(qiáng)度，更重要的是影響連接器的接地性能，從而影響微波連接器的整體指標(biāo)。

圖6 電阻焊X射線圖像

圖7 感應(yīng)焊X射線圖像

電阻焊和感應(yīng)焊完成的連接器X射線圖像分別如圖6和圖7所示，其中（a）圖像是焊接效果較好、氣孔率較低的圖像，（b）圖像是焊接效果稍差、氣孔較多的圖像，兩組測(cè)試使用的焊接參數(shù)相同，焊接順序有差異。

從圖中可以看到，兩種焊接方法焊接連接器后使用X射線檢測(cè)，焊料熔化潤(rùn)濕的情況都比較好，氣孔很少并且分散，估算焊盤中間稀疏氣孔的面積，焊接釬透率均大于90%。

分析相同焊接參數(shù)焊接的連接器在X射線檢測(cè)時(shí)釬透效果有差異的原因：

（1）焊接連接器時(shí)，操作者用手扶正連接器并施加一定壓力，連接器的垂直程度和施加壓力的大小將影響焊接效果；

（2）使用感應(yīng)焊或者電阻焊時(shí)，感應(yīng)線圈與連接器距離以及電阻焊夾頭與連接器之間的接觸電阻變化會(huì)影響熱量的產(chǎn)生，從而影響焊接效果；

（3）焊料在空氣中放置時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響焊料吸收空氣中水汽的多少，這將直接影響焊接面上氣泡的多少。

綜合以上三條，為了獲得更好的焊接面，需要控制焊料、操作要領(lǐng)和焊接參數(shù)等整個(gè)工藝過(guò)程。

3.3 抗拉試驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上連接器兩種焊接方法獲得的焊縫強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗拉強(qiáng)度不小于120 N的要求，參考GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法，隨機(jī)選取了電阻焊連接器和感應(yīng)焊連接器各6組試樣進(jìn)行了拉力測(cè)試，所有測(cè)試結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。測(cè)試工裝如圖8，拉力測(cè)試機(jī)如圖9。

表1 連接器焊接面抗拉測(cè)試數(shù)據(jù)表（單位：N）

圖8 拉力測(cè)試工裝

圖9 拉力測(cè)試機(jī)

4 結(jié)論

電阻焊焊接和感應(yīng)焊焊接均能夠?qū)崿F(xiàn)微波連接器大面積接地焊接的要求，通過(guò)設(shè)定焊接參數(shù)，可以獲得基本一致的焊接效果。

電阻焊焊接是接觸式焊接，需要電阻焊夾頭和連接器緊密接觸，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接；感應(yīng)焊是非接觸焊接，允許感應(yīng)線圈和連接器之間有1～2 mm間隙，使定位要求大大降低，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接提供了可能。

[1] 李曉艷，等.微波功能模塊溫度階梯焊工藝技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2008，48（1）：113-116.

[2] Terry Harper,Wayne Kennan,NortheK Osbrink.In search of $300 T/R moudle[J].Microwave Journal March,1986,29: 48-57.

[3] 王聽(tīng)岳.微波電路組裝工藝研究[J].電子工藝技術(shù)，1999，20（5）：190-193.

[4] 湯俊，等.大面積軟釬焊中的阻焊技術(shù)[J].電子機(jī)械工程，2000，2：59-62.