谷俊園

摘要：微波組件作為現(xiàn)代雷達(dá)的核心部件，其工作可靠性是保證雷達(dá)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。微波組件采用先進(jìn)的微波多芯片組裝技術(shù)，大量使用微波裸芯片，為保護(hù)這些芯片和封裝的金屬鍍層免受環(huán)境腐蝕和機(jī)械損傷，它們必須密封在微波殼體內(nèi)，才能長(zhǎng)期保持微波組件高的可靠性和穩(wěn)定性。常用的密封方法有：環(huán)氧膠粘接、軟釬焊、平行縫焊、電子束焊接和激光焊接等。與其它密封方法比較，激光焊接具有能量密度高、熱影響區(qū)小、無(wú)機(jī)械接觸應(yīng)力、致密性好和易于拆蓋返修等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空和航天等軍用電子領(lǐng)域微波組件的密封。

關(guān)鍵詞：微波組件；激光；封焊工藝

由于微波封裝和電路組裝技術(shù)具有高密度化、高速化和高可靠性等特點(diǎn)，因此極大地促進(jìn)了微波組件從獨(dú)立系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，從集中向分散發(fā)展，從模擬向數(shù)字化方向發(fā)展。通過(guò)微組裝技術(shù)，采用微焊接和封裝工藝將各種微型化片式元器件和半導(dǎo)體集成電路芯片組裝在高密度多層互連基板上，形成高密度、高速度和高可靠性的三維立體機(jī)構(gòu)的高可靠微波組件，也是實(shí)現(xiàn)電子站系統(tǒng)小型化、多功能化和高性能的最有效途徑。

1 激光焊接機(jī)理和特點(diǎn)

激光焊接是將高強(qiáng)度激光束直接輻射至材料表面，通過(guò)激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實(shí)現(xiàn)焊接。根據(jù)激光束功率密度的高低、作用時(shí)間的長(zhǎng)短，激光焊接分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊兩種形式。

1.1 熱傳導(dǎo)焊

激光束將材料表面加熱至熔點(diǎn)與沸點(diǎn)之間，焊接時(shí)，材料將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏訜崛刍牧希共牧媳韺拥臒嵋詡鲗?dǎo)方式繼續(xù)向材料深處傳遞，直至將兩個(gè)待焊件的接觸面互熔并焊接在一起。這種焊接機(jī)理稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)焊的主要特點(diǎn)是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被材料表面反射，光的吸收率較低，焊接熔深淺，速度慢，主要用于?。ê穸?lt;2.54mm）小焊件的焊接加工。

1.2 深熔焊

在蒸汽壓力的作用下，熔化金屬被排擠在激光束周圍，使照射處呈現(xiàn)出一個(gè)凹坑。隨著激光束的繼續(xù)照射，凹坑愈來(lái)愈深而形成深穿型的圓孔空腔，激光可以透過(guò)小孔的金屬蒸汽直射孔底。當(dāng)激光停止照射后，小孔周邊熔化的金屬重新流回到小孔里，冷卻凝固后即將兩個(gè)待焊件焊接在一起。這種焊接機(jī)理稱為深熔焊。這兩種激光焊接機(jī)理，與功率密度、作用時(shí)間、材料性質(zhì)和焊接方式等因素有關(guān)。當(dāng)激光功率密度較低、作用時(shí)間較長(zhǎng)而焊件較薄時(shí)，通常是以熱傳導(dǎo)焊機(jī)理為主進(jìn)行焊接的。反之則是以深溶焊機(jī)理為主進(jìn)行焊接。

2 主要工藝參數(shù)

2.1 激光功率

激光功率是激光封焊最重要的參數(shù)之一，其數(shù)值的大小直接決定了焊縫的熔深。激光功率過(guò)低，熔深數(shù)值很小，極易造成未焊透等情況，且焊縫強(qiáng)度很低，在低氣壓測(cè)試時(shí)會(huì)造成蓋板變形，氣密性無(wú)法保證；激光功率過(guò)高，會(huì)造成熔池金屬飛濺，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致殼體焊穿，損壞內(nèi)部器件和電路等，直接造成模塊的報(bào)廢。

2.2 焊接速度

焊接速度也是激光封焊的重要參數(shù)之一，選擇合理的參數(shù)直接決定了焊縫的成型。焊接速度越高，光斑重合率低，容易發(fā)生裂紋或未熔合等缺陷；焊接速度太低，光斑重合率接近100%，但會(huì)造成能量局部過(guò)高，而產(chǎn)生氣孔等缺陷。一般情況下，為了獲得較高的焊縫強(qiáng)度，光斑重合率一般設(shè)定為50%～60%，而為了獲得焊縫的氣密性，光斑重合率設(shè)定為70%～80%為宜。

2.3 激光頻率

激光頻率與焊接速度兩個(gè)參數(shù)共同決定了光斑重合率的大小。為了獲得光斑重合率在70%～80%，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算等前期工作，發(fā)現(xiàn)針對(duì)文中所用的激光封焊設(shè)備，焊接頻率是焊接速度的5～6倍可以基本滿足。但不同的設(shè)備和不同的光斑尺寸等選用的參數(shù)會(huì)不同。

3 實(shí)驗(yàn)分析3.1 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)件激光焊接后，在顯微鏡下觀察焊縫外觀是否良好，判斷焊縫是否存在氣孔和裂紋等焊接缺陷；采用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行氣密性檢測(cè)，判斷是否滿足焊接密封要求；通過(guò)溫度沖擊和機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)，評(píng)估溫度交變和振動(dòng)疲勞對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

3.2 試驗(yàn)研究及分析

1）功率對(duì)焊縫的影響。在激光封焊工藝操作中，由于參數(shù)眾多，且互相影響，而功率是眾多參數(shù)中最先需要確定的。因此，選用一定范圍的功率參數(shù)進(jìn)行激光封焊，在焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)功率大于4.0kW時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的飛濺，焊縫不美觀，且會(huì)有塌邊的現(xiàn)象，極易造成焊穿，損壞組件內(nèi)部的器件或電容，造成整個(gè)模塊的損壞甚至報(bào)廢。而選用2.0kW的功率時(shí)，對(duì)焊縫外形進(jìn)行分析，光斑重合率較低，無(wú)法保證氣密性及成品率。因此，綜上所述，選用2.5～3.5kW的功率，是相對(duì)合理的參數(shù)。

2）材料表面狀態(tài)對(duì)激光焊接密封質(zhì)量的影響。為提高封裝材料的可焊性和耐腐蝕性，通常在封裝殼體和蓋板表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳金處理。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍍金層對(duì)焊縫的負(fù)面影響較大，會(huì)產(chǎn)生焊縫裂紋現(xiàn)象，這主要是由于在激光焊接過(guò)程中，鍍層金屬和鋁合金熔化在一起，產(chǎn)生了復(fù)雜的冶金反應(yīng)，而鍍層金屬原子與鋁合金無(wú)法形成新的合金相，導(dǎo)致鍍層殘余金屬原子都聚集在鋁合金相的晶界部位，形成微裂紋擴(kuò)展的裂紋源。因此，焊縫區(qū)表面應(yīng)避免金鍍層。

3）焊接工藝參數(shù)對(duì)激光焊接密封質(zhì)量的影響。激光焊接工藝參數(shù)主要包含激光功率、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、焊接速度和離焦量等。這些工藝參數(shù)共同影響著激光焊接密封的質(zhì)量，并相互制約相互影響。因此，確定合理匹配的焊接工藝參數(shù)是有效控制激光焊接密封質(zhì)量的有效措施。

綜上所述，文中選用特定型號(hào)的鋁合金進(jìn)行激光封焊研究，探討了工藝參數(shù)對(duì)焊接效果及氣密性的影響，得出了結(jié)論，對(duì)同類材料的鋁合金激光封焊有一定的指導(dǎo)作用。但激光封焊的工藝研究是相當(dāng)復(fù)雜的，如蓋板的尺寸與厚度、蓋板與殼體的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和匹配程度等均對(duì)激光封焊焊接效果有一定的影響，值得后續(xù)進(jìn)一步深入研究。

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