朱開宏，陳潔民，吳　彬，單余生

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇南京210016）

全密封微波組件殼體激光縫焊技術(shù)

朱開宏，陳潔民，吳彬，單余生

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇南京210016）

針對(duì)微波組件微型化、輕型化與高可靠性要求，選用激光縫焊的方式進(jìn)行氣密封裝。根據(jù)激光縫焊氣密性要求，研究殼體與蓋板的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表面處理要求。通過合理的組件設(shè)計(jì)，獲得了外觀美觀、氣密性良好的焊縫組織。

微波組件；激光縫焊；氣密性封裝

0　前言

軍用微波組件廣泛應(yīng)用于外層空間及大洋深海等各種惡劣環(huán)境下，組件的質(zhì)量與長期可靠性引起了人們的普遍關(guān)注。另一方面由于電子設(shè)備的質(zhì)量越來越輕、體積越來越小、功能越來越先進(jìn)、價(jià)格越來越低，因此裸芯片組裝電路在微組裝工藝中被廣泛采用。這就對(duì)微波組件的質(zhì)量與長期可靠性提出了更高的要求。為達(dá)到質(zhì)量與可靠性要求，產(chǎn)品的密封性能是主要考核指標(biāo)之一，它的目的是保證組件的氣密性，確保芯片和電路與外界環(huán)境的隔絕，避免外界有害氣氛的侵襲，以及降低封裝腔體內(nèi)水汽含量和自由粒子數(shù)。

常用微電子氣密封裝有如下幾種：（1）用低熔點(diǎn)合金焊料的封接方法。該方法易使相鄰部位焊接面留有不希望出現(xiàn)的溢出焊料等缺點(diǎn)。（2）環(huán)氧樹脂密封。該方法僅限于高漏率的一般封接場合中。（3）平行縫焊。該方法要求組件結(jié)構(gòu)規(guī)則，殼體及蓋板材料單一，可返修性差，難以普遍使用。（4）激光縫焊。該方法因其焊接的接頭性能優(yōu)越、熱影響區(qū)域小、焊縫牢固美觀等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1]。在此對(duì)微波組件殼體的激光縫焊工藝進(jìn)行了研究。

1　激光縫焊

激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊。微波組件氣密封焊主要是熱傳導(dǎo)焊。該原理是將激光聚焦在金屬工件接頭處，巨大的功率密度使工件對(duì)接部分金屬溫度升高到熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間而熔化，從而在對(duì)接部分形成致密的焊縫組織。

脈沖YAG激光焊接速度快，焊縫光滑、平整、可靠性高。它在所有封接工藝中成品率最高，對(duì)管殼和引線無任何損害。并且，激光縫焊對(duì)常用的微波組件殼體材料如Kovar（可伐）合金、銅合金、鋁合金、硅鋁復(fù)合材料等皆能實(shí)現(xiàn)良好的密封。

影響激光縫焊密封質(zhì)量的因素有很多，而合理的參數(shù)設(shè)置對(duì)縫焊接頭的質(zhì)量最為重要。其中，激光功率和脈沖波形決定激光能量的大小；離焦量決定焦點(diǎn)與焊接平面的相對(duì)位置，能有效控制熔深、熔寬；焊接速度決定焊點(diǎn)的重疊率和整個(gè)接頭吸收的總激光能量。實(shí)踐證明，激光功率、脈沖波形、焊接速度、離焦量的合理設(shè)置對(duì)激光縫焊接頭的質(zhì)量有顯著影響[2]。激光頻率與速度的選擇可依據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式

式中f為激光的脈沖頻率；d為光斑直徑；v為焊接速度。通過采用正交試驗(yàn)結(jié)合組合脈沖波形方法可以快速找到高硅鋁合金、可伐合金等材料的較優(yōu)焊接參數(shù)，能夠有效控制裂紋的出現(xiàn)[3]。

2　材料的選用

微波組件殼體常用材料是鋁合金、黃銅（H62）、無氧銅和可伐。

鋁合金是微波組件的首選材料，這是由于其價(jià)廉、質(zhì)輕、可機(jī)械加工和耐腐蝕、極好的強(qiáng)度以及高的電和熱傳導(dǎo)率，但因鋁的熱傳導(dǎo)率高而使焊接困難。軍用微波組件殼體考慮到抗蝕性及可焊性等要求常用牌號(hào)為5A05、6061、6063等。殼體材料因含有一定的鎂（見表1），鎂的熔點(diǎn)很低，在焊接過程中易蒸發(fā)，同時(shí)由于鋁合金本身對(duì)激光的高反射率，因此激光焊接難度較大[4]，為改善殼體材料的焊接性能，蓋板采用硅含量較高的鋁合金4A11，Al-Si合金不僅具有較高的韌性和抗蝕性，還能有效避免焊接裂紋和提高激光吸收率[5]。

表1　微波組件常用材料化學(xué)成分％

黃銅（H62）材料中含有大量的鋅，鋅的沸點(diǎn)僅為907℃，焊接過程中鋅的蒸發(fā)容易產(chǎn)生多孔的焊縫[6]。接頭處由于鋅的大量蒸發(fā)，焊縫處出現(xiàn)了較大的凹陷，裂紋明顯。因此該種銅合金不適用于激光縫焊氣密殼體及蓋板材料。

無氧銅（TU1）材料純度高，磷、硫、鎂、鋅等激光焊接時(shí)易蒸發(fā)飛濺金屬含量極低，焊接性能、耐蝕性能較好，可作為微波組件氣密性激光縫焊殼體及蓋板用。

可伐材料采用激光焊接工藝時(shí)具有良好的焊接性能，可獲得光滑平整的焊縫，無裂紋問題[7]。

3　微波組件殼體與蓋板的設(shè)計(jì)要求

微波組件的氣密性要求使其采用激光縫焊的方式封裝，所以殼體與蓋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均應(yīng)滿足激光縫焊的密封要求。殼體與蓋板的示意如圖1所示。

圖1　微波組件殼體與蓋板

3.1殼體的設(shè)計(jì)要求

為保證激光在拐角處平滑過渡，避免激光在局部加熱時(shí)間過長，蓋板腔內(nèi)陰陽角處應(yīng)設(shè)計(jì)成圓弧過渡（見圖2），一般R為1～3 mm。圖3中殼體上沿口尺寸L1應(yīng)大于1 mm，考慮到維修開蓋后二次焊接的可能性，L1應(yīng)盡量大于1.5 mm（可開蓋兩次）。蓋板腔臺(tái)階寬度L3不得低于0.5 mm，否則，激光有可能在縫隙處擊穿至腔體內(nèi)集成電路，損傷器件。腔體側(cè)面有孔或槽結(jié)構(gòu)時(shí)，其上沿距蓋板腔底部尺寸h3應(yīng)盡量大于0.5 mm，以防激光擊穿縫隙下金屬，損壞孔內(nèi)零件和焊料，造成組件氣密失效。

圖2　組件腔體

圖3　腔體與蓋板的配合

3.2蓋板的設(shè)計(jì)要求

蓋板與殼體的激光焊接僅作氣密性封裝作用，焊縫深度小于0.5 mm，焊接強(qiáng)度要求不高，因此蓋板厚度h1應(yīng)盡量設(shè)計(jì)在0.5～1.5 mm內(nèi)。蓋板視面積大小可增加應(yīng)力釋放槽（見圖4），當(dāng)蓋板面積大于2 500 mm2時(shí)，應(yīng)保證蓋板厚度大于1 mm，并設(shè)計(jì)“回”字槽；當(dāng)蓋板面積大于5 500 mm2時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)“田”字槽，槽寬L5為3～5 mm，槽距邊L4為1～2 mm，槽深h4為蓋板厚度的50％。應(yīng)力釋放槽可有效避免焊接過程中蓋板受熱引起的變形翹曲，保證焊縫質(zhì)量。

圖4　蓋板

3.3殼體與蓋板的配合尺寸要求

殼體與蓋板配合間隙L2為0.01～0.04 mm，間隙過小焊接變形大，間隙過大焊接區(qū)材料不夠填滿焊縫，引起漏氣。蓋板厚度與蓋板腔深的高度差Δh=h1-h2應(yīng)控制在±0.05 mm之內(nèi)。由于焊縫深度淺，高度差太大會(huì)影響激光對(duì)焦，降低焊縫質(zhì)量。

3.4殼體的加工方法選擇

殼體需要鍍金或鍍銀時(shí)可對(duì)殼體內(nèi)有鍍層需求的部位進(jìn)行選擇鍍或整體鍍。選擇鍍工藝繁瑣，難度大，一般對(duì)于外形復(fù)雜、二次加工困難，或整體鍍金成本較大的殼體采用。對(duì)殼體外形簡單、易于二次加工，電鍍成本較低的盒體可采用整體電鍍后二次加工的方式去除外形及封接面上鍍層。鍍前可對(duì)殼體不需鍍層表面留余量，蓋板腔先不加工，待電鍍完成后再去除表面余量，銑削蓋板腔，這樣既能保證焊接封接面上沒有鍍層，也能滿足內(nèi)部電路釬焊等要求。為保護(hù)鍍層，殼體二次加工應(yīng)為干切削或酒精局部冷卻，表面一般留余量0.15～0.2 mm，余量太小，二次加工由于定位誤差等，零件表面可能會(huì)有鍍層殘留，余量太大會(huì)使二次加工時(shí)零件溫升過高影響鍍層質(zhì)量。

3.5殼體與蓋板的表面處理

微波組件殼體因電路的釬焊及導(dǎo)電性能等要求，一般均會(huì)在表面覆上一薄層金或銀。鍍金或銀之前均要以鎳作為底層。金或銀層對(duì)激光的反射率很高，激光焊接時(shí)難度很大，底層鍍鎳層中會(huì)有殘留的磷，磷的汽化溫度很低，極易引起焊接處產(chǎn)生焊接裂紋和氣泡。

金屬銅或鋁對(duì)激光反射率較高，為提高其對(duì)激光能量的吸收率，可對(duì)無鍍層要求的蓋板進(jìn)行氧化處理。

3.6激光縫焊注意事項(xiàng)

蓋板表面要求平整，四周光潔，邊沿不允許有毛刺，封接面不能倒角，否則將對(duì)蓋板焊接強(qiáng)度、成品氣密性及批次合格率造成影響。焊接夾具要能保證蓋板底面一圈均能與蓋板腔完全貼合。避免微組裝工藝中產(chǎn)生的焊錫珠、助焊劑等殘留雜質(zhì)污染激光縫焊封接面。

4　試驗(yàn)結(jié)果

常用微波組件殼體與蓋板激光焊接后的形貌如圖5所示。根據(jù)GJB548B-2005方法2009.1、1014.2、1018．1要求，對(duì)焊接后組件各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收后結(jié)果為：（1）氦質(zhì)譜檢漏漏率小于等于5× 10-9Pa·m3／s；（2）100℃條件下內(nèi)部水汽含量體積分?jǐn)?shù)小于5 000×10-6；（3）焊縫組織致密、美觀，外觀、氣密性等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國軍標(biāo)要求。

5　結(jié)論

激光縫焊工藝的關(guān)鍵是焊接的氣密性，工藝參數(shù)、外殼材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面處理等都對(duì)焊接的氣密性都有著較大的影響。

圖5　常用微波組件殼體與蓋板的激光縫焊焊縫

采用激光縫焊技術(shù)對(duì)微波組件殼體與蓋板的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了研究，通過選擇激光吸收率高、焊接性能好的蓋板與殼體材料，優(yōu)化組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用合適的表面處理方法，解決了焊接過程中出現(xiàn)的影響氣密性的若干問題，產(chǎn)品的一次合格率達(dá)到98％以上。采用該技術(shù)已開發(fā)出多種常用微波組件的氣密性封蓋，并大量用于產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。

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Laser seam welding technology for fully sealed microwave modules

ZHU Kaihong，CHEN Jiemin，WU Bin，SHAN Yusheng
（No.55 Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210016，China）

Because of the miniaturization，lightweight and high reliability requirements of the microwave modules，the laser seam welding was selected for hermetic sealing.According to the requirement of the hermetic sealing of the laser seam welding，the material selection，structure design and surface treatment of the shell and the cover plate were studied.Through the reasonable component design,weld organization with beautiful appearance and good air tightness were obtained.

microwave modules；laser seam welding；hermetic sealing

TG456.7

A

1001－2303（2016）05－0059-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.13

2015-10-12

朱開宏（1963—），男，高級(jí)工程師，主要從事微波、電真空管殼的模具設(shè)計(jì)與制造、微波零部件的機(jī)械加工工藝、銀釬焊及激光縫焊工藝等的研究。