趙樹偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所,山東 青島266555）

0 引言

微波模塊應(yīng)用范圍越來越廣泛，使用環(huán)境越來越復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品在各種條件下工作的穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高。高頻微波模塊對(duì)惡劣的環(huán)境反映非常敏感，如果防護(hù)不當(dāng)隨著微波電路腐蝕的緩慢進(jìn)行，電路性能逐漸惡化，頻率向下漂移，增益下降，噪聲增大，帶寬變窄及輸出功率變小等。微波模塊的三防性能已成為重要的技術(shù)指標(biāo)之一，它已不單純是一項(xiàng)工藝技術(shù)的實(shí)施，而應(yīng)當(dāng)涉及到材料、元器件、電路、結(jié)構(gòu)、工藝和綜合性技術(shù)管理等多方面的工作[1]。

1 微波模塊三防設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，微波模塊失效的案例中80%是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的，加工或工藝問題只占不足20%。目前在功能模塊的三防設(shè)計(jì)中，往往缺少完備的設(shè)計(jì)規(guī)范，都是在憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，具有很大的隨意性。部分沒有經(jīng)過充分試驗(yàn)論證的新技術(shù)、新工藝、新材料被引入新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，無法與產(chǎn)品的整個(gè)結(jié)構(gòu)形成良好的匹配，致使產(chǎn)品的三防性能大大降低。

產(chǎn)品的三防性能是設(shè)計(jì)出來的，如果不重視三防設(shè)計(jì)，單純強(qiáng)調(diào)工藝防護(hù)，必然是先天不足，后患無窮，甚至導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)失敗[2]。為了使產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下正常工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須詳細(xì)了解產(chǎn)品的工作環(huán)境條件及其影響，將三防設(shè)計(jì)納入到產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)之中，避免單純的工藝防護(hù)和事后的補(bǔ)救措施。根據(jù)產(chǎn)品的工作環(huán)境條件的性質(zhì)，影響因素的種類，作用強(qiáng)度的大小來采取相應(yīng)的三防措施，設(shè)計(jì)合理的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 微波模塊的三防設(shè)計(jì)技術(shù)

目前,普通電子產(chǎn)品中的印制電路板和金屬結(jié)構(gòu)件表面普遍采用了涂覆有機(jī)涂層的方法提高產(chǎn)品的三防性能，進(jìn)一步防止基體材料受到腐蝕。涂覆有機(jī)涂層是迄今為止最有效、最經(jīng)濟(jì)和最普遍采用的方法[3]。但是高頻微帶電路進(jìn)行涂覆處理比較困難，會(huì)帶來一些負(fù)面影響：增加原有電路的分布參數(shù)；改變微帶的感量；導(dǎo)致頻率漂移；使輸出功率下降等。高頻微波模塊的三防要求高、難度大，設(shè)計(jì)過程中必須統(tǒng)籌兼顧材料的優(yōu)選、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鍍層的選擇、規(guī)范的裝配程序等等措施，并將其有機(jī)結(jié)合起來，形成可靠的三防體系。

2.1 材料優(yōu)選

優(yōu)選經(jīng)認(rèn)證或經(jīng)多年實(shí)踐證明是可靠的金屬材料和非金屬材料，對(duì)選用的新材料特別注意考慮其可靠性和工藝穩(wěn)定性。關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件或者易產(chǎn)生腐蝕的部位宜選用耐腐蝕材料。

目前，由于鋁合金與銅合金優(yōu)良的導(dǎo)電性、良好的可加工性和經(jīng)濟(jì)性，在微波模塊的屏蔽盒和腔體中被廣泛使用。通常情況下鋁合金防腐蝕性能按照：純鋁、防銹鋁、鍛鋁、壓鑄鋁、硬鋁順序依次遞減。在濕熱環(huán)境下應(yīng)用硬鋁2A12的加工件要非常慎重，必須采用陽極氧化結(jié)合有機(jī)涂層的防護(hù)措施。為控制腐蝕，建議優(yōu)選Al-Mn,Al-Mg系防銹鋁（LF）或者鍛鋁（6061或6063），無承力要求及高導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)件可選用純鋁。其中6061—T651是一種經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金，具有良好的抗腐蝕性能，無應(yīng)力腐蝕破裂傾向，可以應(yīng)用于潮濕和海水介質(zhì)中，再配合適當(dāng)?shù)腻兺?，完全能夠滿足實(shí)際使用的需要。

黃銅有良好的可切削性和力學(xué)性能，對(duì)一般腐蝕有良好的穩(wěn)定性，在大氣和海水中比純銅耐腐蝕，在微波模塊中被廣泛用來制作腔體。鈹青銅的綜合力學(xué)性能良好，在大氣、淡水和海水中抗腐蝕性極佳，常用來制作微波模塊中的彈性元件和耐磨元件。

可伐合金4J29在20～450℃范圍的線膨脹系數(shù)與硬玻璃和陶瓷相近，可以實(shí)現(xiàn)玻璃絕緣子和微帶電路的良好封裝匹配。對(duì)于生命周期長(zhǎng)，環(huán)境溫差大的高頻微帶電路使用可伐合金代替黃銅進(jìn)行封裝，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

選用非金屬材料時(shí)，表面電阻、介電常數(shù)、損耗系數(shù)等所需指標(biāo)在整個(gè)頻帶和溫度范圍內(nèi)必須保持穩(wěn)定。此外宜選用低吸潮、耐霉菌、無腐蝕性氣氛逸出以及與相鄰金屬無接觸腐蝕的材料。

2.2 結(jié)構(gòu)合理

由于成本的關(guān)系，還不能大量使用耐腐蝕性材料，但合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以防止或減少材料的腐蝕。

1）表面結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔、流暢、過渡圓滑，防止零件局部受熱和應(yīng)力集中。

2）在可能積水和留存濕氣的空間，應(yīng)開設(shè)排水孔和通風(fēng)孔。

3）避免凹槽、盲孔、縫隙，以防使腐蝕性介質(zhì)滯留和聚集。盲孔的存在會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)腐蝕性液體難以清洗干凈，不僅污染鍍液，還會(huì)對(duì)鍍層質(zhì)量有不良影響。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少盲孔結(jié)構(gòu)。如螺紋底孔采取通孔方式。

4）長(zhǎng)期戶外工作的大型模塊應(yīng)盡量避免氣密設(shè)計(jì)，因?yàn)闅饷茉O(shè)計(jì)一旦失效，腔內(nèi)會(huì)由于日曬氣體逸出，當(dāng)夜晚氣溫下降時(shí)會(huì)進(jìn)入濕氣，周而復(fù)始內(nèi)部產(chǎn)生積水，使電子設(shè)備受潮失效[4]。氣密結(jié)構(gòu)還會(huì)引起設(shè)備散熱困難和維修的不方便，一般可將易受環(huán)境因素影響的元器件、零部件進(jìn)行單獨(dú)密封。

5）盡量選用同種金屬或者電位差小的不同金屬直接接觸，以防電偶腐蝕，不可避免時(shí)，可以選用兩種金屬都允許接觸的金屬墊片或者鍍層進(jìn)行過渡，關(guān)鍵零件應(yīng)選用陰極材料制作。當(dāng)緊固件（如螺釘?shù)龋┡c被連接件不允許接觸時(shí)，可以選用絕緣密封墊圈進(jìn)行密封。

6）銀遷移是電子產(chǎn)品的特殊腐蝕問題，在高電位差和潮濕氣氛中，銀可以遷移穿過絕緣層，造成絕緣材料性能下降甚至引起短路。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全可以預(yù)防：避免緊靠的兩路電路間電位差過高，對(duì)存在電位差的兩路電路加大相互距離。

7）避免導(dǎo)電密封襯墊和導(dǎo)電膠粘劑帶來的電偶腐蝕和銀遷移而引起的短路等問題。導(dǎo)電密封襯墊必須是完整閉合的，不可以拼接，壓縮量應(yīng)為18%～25%。合理設(shè)計(jì)安裝槽，防止襯墊壓縮后“過容”。涂抹導(dǎo)電膠前，腔體表面清潔無污染，且一定要徹底固化后再封裝。

2.3 合理的表面處理和工藝防護(hù)

為滿足高頻微波模塊表面電阻低，電導(dǎo)率高的要求，鋁合金零部件宜鍍銀，銅、可伐合金宜選擇鍍金。對(duì)于鋁制屏蔽盒類零件可以采用化學(xué)導(dǎo)電氧化處理作為減緩電偶腐蝕的一項(xiàng)輔助措施。

鋁件鍍銀時(shí)必須使用鋁絲拴掛，防止其他金屬和鋁基體發(fā)生置換，導(dǎo)致拴掛附近鍍層結(jié)合力不良。薄的銀鍍層多孔，在潮濕環(huán)境下與基體鋁會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕，建議銀鍍層厚度達(dá)到8～15微米。沒有鎳底層的銅合金零件鍍銀或以銅為底層的鍍銀零件不能在148℃以上連續(xù)工作，否則將會(huì)生成具有脆性的銀與銅的低熔擴(kuò)散物，影響銀鍍層與銅底層的結(jié)合力[5]。

機(jī)加工完成后立即進(jìn)行清洗是最容易清洗干凈的，零件表面清洗干凈以后，最外層就是潔凈的金屬基體，很容易與空氣中的塵埃、水氣反應(yīng)。即時(shí)清洗之后的各道表面處理工序必須迅速進(jìn)行，防止工件表面被污染或者產(chǎn)生氧化層。

黃銅腔體鍍金前可以進(jìn)行微細(xì)噴砂處理，有效清除表面氧化物，提高表面清潔度，清除基體表面的裂縫、毛刺等缺陷。我們將同一批次腔體分別采取微細(xì)噴砂后鍍金和直接鍍金后進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，從表1可以看出微細(xì)噴砂后鍍金質(zhì)量大大提高。

表1 微細(xì)噴砂的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.4 裝配過程控制

裝配過程中禁止赤手接觸零部件，裝配人員必須佩戴防靜電手套和指套，微帶片應(yīng)使用鑷子進(jìn)行夾取。

目前，關(guān)鍵微波模塊裝配過程中采用密封的方法有膠粘劑密封、襯墊密封、真空燒結(jié)、軟釬焊密封、激光封焊和平行封焊等。對(duì)于密封性要求高的模塊，要達(dá)到氣密水密要求，需要綜合選用真空燒結(jié)、軟釬焊、激光封焊和平行封焊。如射頻I/O絕緣子采用真空燒結(jié)，饋電控制絕緣子采用高頻感應(yīng)軟釬焊（如圖1所示），腔體和蓋板可用激光封焊或者平行封焊，對(duì)于密封性要求不高的模塊，可選用膠黏劑或襯墊密封等成本較低的密封工藝。為兼顧可靠性和方便維修，可采用低溫釬焊的封裝方法。

圖1 玻璃絕緣子釬焊示意圖

由于導(dǎo)熱率較高，銅鍍金的腔體采用激光封焊難度較大，可采用真空或惰性氣體氣氛中釬焊，封蓋后腔體漏率≤1×10-8(Pa×cm3)/s國(guó)軍標(biāo)要求，可較好滿足氣密性要求?？煞ズ辖鹎惑w宜選用平行封焊。

3 結(jié)束語

通過以上分析可以看出，正確地選用材料是三防設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，合理地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是微波模塊三防設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，恰當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗头庋b工藝是三防措施長(zhǎng)期有效的保障。隨著技術(shù)進(jìn)步，高頻微波模塊對(duì)環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求，結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)人員還需要深入研究新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)，不斷提升產(chǎn)品的三防性能。

［1］謝義水.艦載電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（1）：83-86.

［2］范民，周廣宴.軍用電子設(shè)備整機(jī)三防技術(shù)研究[J].裝備環(huán)境工程，2009，6（4）：72-75.

［3］劉欣，劉繼芬.三防技術(shù)分析與應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù)，2010，31（6）：354-357.

［4］馬驂.三防設(shè)計(jì)技術(shù)[J].電訊技術(shù)，1996，36（4）：5-20.

［5］李金桂，趙閨彥.腐蝕和腐蝕控制手冊(cè)[S].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988：410-411.