譚小鵬 袁 林 王文龍

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

1 引言

隨著雷達(dá)產(chǎn)品小型化和天線與機(jī)械結(jié)構(gòu)共形化趨勢的發(fā)展，將天線饋線電路直接焊合在結(jié)構(gòu)件上是目前較多采用的解決方案[1]。某天線是由鍍銀鋁基板、SMP-JHD1、大面積覆銅板電裝焊接而成的。天線的鍍銀鋁基板長98 mm，寬20 mm，厚6 mm，正面需要焊接16個(gè)等間距的Φ4 mm的SMP連接器，背面需要與同尺寸的大面積覆銅板材質(zhì)的貼片陣子進(jìn)行焊接。焊接的性能由透錫率決定，透錫率（被釬接面積/需焊接面積）直接反映了接地效果和散熱能力，是整個(gè)技術(shù)的重要指標(biāo)[2]。鍍銀鋁基板的實(shí)物見圖1，貼片陣子焊接面見圖2。天線已在我單位電裝過一個(gè)批次，經(jīng)X-Ray檢測貼片陣子與鋁基板的焊錫覆蓋率大部分均在50%左右。空洞率偏大，導(dǎo)致接地狀況不佳[3]，尤其連接器附近焊錫的覆蓋率低。為保證后批次產(chǎn)品焊接質(zhì)量及電性能滿足設(shè)計(jì)要求，對天線需重新制定工藝方案進(jìn)行電裝（見圖3）。

2 空洞產(chǎn)生原因分析及工藝改進(jìn)

2.1 原因分析

圖1 天線鋁基板

圖2 貼片陣子焊接面

圖3 上批次X-Ray檢測圖

設(shè)計(jì)師在調(diào)試過程中反饋天線中間區(qū)域個(gè)別點(diǎn)存在虛焊情況，使用手壓貼片陣子信號正常，松開后信號若隱若現(xiàn)，且總體性能不能滿足設(shè)計(jì)調(diào)試指標(biāo)。經(jīng)過與設(shè)計(jì)師、質(zhì)量師分析原因，貼片陣子的焊錫覆蓋率低是關(guān)鍵因素，尤其天線中間區(qū)域焊錫量少。

為了解決天線虛焊情況，提高鋁基板與貼片陣子焊錫覆蓋率，滿足后續(xù)設(shè)計(jì)調(diào)試指標(biāo)，對后續(xù)批次天線的裝配、焊接工藝方法進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 工藝改進(jìn)措施

目前，有很多學(xué)者提出了回流焊出現(xiàn)焊接空洞的原因以及相應(yīng)的措施[4]-[6]，尤其是曠仁雄等人[7]利用對被焊材料的表面施加壓力和盡量保證真空的焊接環(huán)境這兩種方式實(shí)現(xiàn)大面積電路板低空洞焊接或者無空洞焊接。基于此思路本文嘗試從印刷網(wǎng)版的開孔設(shè)計(jì)、制作壓力工裝、調(diào)節(jié)溫度曲線等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

（1）焊料覆蓋率設(shè)計(jì)。為了提高焊錫覆蓋率，需改進(jìn)設(shè)計(jì)原有鋼網(wǎng)的開孔方式，使錫膏更均勻的進(jìn)行涂覆，或者根據(jù)鋁基板尺寸設(shè)計(jì)激光切割的焊料片替代焊膏。

（2）設(shè)計(jì)壓接方案。準(zhǔn)備采取一系列壓接試驗(yàn)方法，通過回流焊時(shí)對天線進(jìn)行壓接，使鋁基板與貼片陣子充分結(jié)合焊接，提高焊接質(zhì)量，降低焊接空洞率。

（3）溫度曲線設(shè)置。焊接質(zhì)量的好壞溫度曲線起著決定性作用。對于采用各種壓接方案（天線表面放置壓塊、夾子、工裝等方法）均會使焊接過程有熱損失，需要對天線的溫度曲線進(jìn)行重新測試，找到焊接最佳的參數(shù)。

通過一系列的工藝改進(jìn)措施，提高天線的大面積接地焊錫覆蓋率到70%～90%，保證天線更好的接地，滿足設(shè)計(jì)調(diào)試要求。

3 工藝改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

3.1 壓接方案

空洞率的降低除了合適的溫度曲線，還需要在被焊材料的表面施加壓力，使夾雜在焊料中的空氣和助焊劑等被擠壓出去（見圖4）。

圖4 壓力示意圖

壓力F的大小要控制適當(dāng)。壓力過大易于將焊料擠壓至貼片陣子表面，導(dǎo)致鋁基板與貼片陣子短路。壓力過小，又不利于夾雜在焊料中的空氣、助焊劑釋放，空洞過大引起接地性能不好。

工裝設(shè)計(jì)，根據(jù)壓接方案，利用1 mm厚鋁塊、夾子等簡單工具進(jìn)行焊接試驗(yàn)摸索工藝參數(shù)。分別調(diào)整溫度曲線進(jìn)行焊接，鋁塊壓接后由于厚度薄、自身的重量過輕，對貼片陣子中間區(qū)域的F過小，沒有起到壓力作用，經(jīng)X-ray檢測連接器中間區(qū)域空洞過大接地不良。而夾子夾到貼片陣子與基板后，壓力不可調(diào)節(jié)，力F過大，導(dǎo)致焊接后焊錫流出，連接器大部分橋連、短路。

通過試驗(yàn)研究證明焊接壓力與空洞率有密切關(guān)系，適當(dāng)加壓一方面可以使母材與焊料形成緊密的接觸，有利于接觸反應(yīng)熔化的進(jìn)行，同時(shí)由于焊料受到擠壓沿著焊面間隙外溢運(yùn)動，不僅有利于擠出氣體，而且也有利于擠出因受壓而破碎的表面氧化物，從而降低空洞率[8]。為了能有效控制壓力F，因此又試制了一個(gè)3 cm厚的鋁質(zhì)壓塊，制作安裝孔采用螺裝的方式進(jìn)行壓接，壓力可進(jìn)行調(diào)節(jié)。

我單位回流焊爐為熱風(fēng)回流方式，爐體采用內(nèi)腔頂部和底部進(jìn)行加熱，因此熱量需要先傳到壓塊后再傳遞到天線表面，熱損耗過大，經(jīng)測試整個(gè)回流過程溫度較之前需要有很大提升，但過高的溫度會對天線鍍銀面造成破壞，導(dǎo)致嚴(yán)重氧化而變色。因此需要對前期設(shè)計(jì)的工裝進(jìn)行優(yōu)化：盡可能的減少天線與工裝的熱熔，減少接觸面積；熱風(fēng)直接能吹到天線表面；天線中間區(qū)域、連接器兩端進(jìn)行壓接。優(yōu)化的焊接輔助工裝如圖5所示。工裝基材選用銅，將貼片陣子、焊料、鋁基板通過螺裝進(jìn)行固定，工裝與天線接觸面積僅通過2 mm寬、1 mm高的凸臺進(jìn)行壓接，減少了熱容量，同時(shí)工裝中間區(qū)域的開孔有效的減少了熱傳遞，使焊接更加充分。

圖5 工裝成品

3.2 鋼網(wǎng)改進(jìn)

為了盡可能的將焊膏全部印刷到貼片陣子，提高焊錫覆蓋率，改變鋼網(wǎng)開孔方式進(jìn)行嘗試。改進(jìn)后的鋼網(wǎng)將中間的開孔直徑從：1.5 mm、2 mm、3 mm，厚度均0.15 mm分別進(jìn)行印刷嘗試，因?yàn)楹父嘀泻兄竸┑扔袡C(jī)物，致使幾種印刷方式焊接后的天線空洞率和之前沒有太大變化。

3.3 焊料片的選擇方案

選擇焊料片代替?zhèn)鹘y(tǒng)涂覆焊膏的方案。焊料片中是純粹的合金成分，沒有其他多余物，對于空洞率的降低有其優(yōu)點(diǎn)。焊料片可以根據(jù)焊接工件選擇激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行靈活切割，焊片同樣選用Sn63Pb37合金成份。焊料量由焊料片的大小和厚度決定[9]，根據(jù)天線基板的圖形進(jìn)行焊料片切割圖案等同設(shè)計(jì)，厚度選擇0.2 mm。

4 焊接

制作好焊料片、工裝后，采用常規(guī)回流焊和真空回流焊進(jìn)行焊接，對待焊接的天線進(jìn)行溫度曲線測試。

4.1 常規(guī)回流焊

回流焊接溫度曲線是制造過程中的一個(gè)關(guān)鍵變量，它影響著產(chǎn)品的合格率[10]。為了得到適合鋁合金基材與貼片陣子的溫度曲線，利用溫度曲線測試儀，經(jīng)多次測量并進(jìn)行回流爐參數(shù)修改，最終確定了天線的焊接曲線。

回流爐中峰值溫度設(shè)置為270℃、280℃，實(shí)際測得鋁合金表面的峰值焊接溫度是215℃，滿足峰值溫度推薦的210℃～225℃。實(shí)際測量，超過錫鉛合金熔點(diǎn)溫度時(shí)間為40 s，超過焊膏熔點(diǎn)的“尖端區(qū)”覆蓋面積最小[11]，已滿足溫度曲線回流區(qū)設(shè)計(jì)原則。

將焊片用超聲波清洗機(jī)清洗后，用鑷子裝在天線表面，調(diào)整好位置，裝上貼片陣子，將工裝依次放上，用緊固件將天線和工裝進(jìn)行裝配，不要擰的過緊。調(diào)用測試過的溫度曲線，放入回流焊爐進(jìn)行焊接。從圖片上分析，焊錫覆蓋率大概在80%以上，證明工藝方法和過程正確可行。

4.2 共晶爐焊接

與回流焊接相比，共晶設(shè)備可以提供真空環(huán)境或者可控工藝氣氛（氮?dú)?、氮?dú)夂图姿岬幕旌蠚怏w等）[12]，減少焊接時(shí)爐內(nèi)空氣中氧氣和水汽的含量，避免氧化物生成，促進(jìn)焊料對焊接界面的潤濕，從而極大降低空洞率，提高焊接質(zhì)量。共晶焊接同樣需要對焊接溫度曲線進(jìn)行測試。在真空共晶時(shí)，通過預(yù)處理降低爐內(nèi)氧氣和水汽含量，然后升溫預(yù)熱、保溫焊接和降溫冷卻實(shí)現(xiàn)共晶焊接[13]，溫度曲線參數(shù)如下表1，溫度曲線如圖6所示。使用超聲波清洗機(jī)對焊片進(jìn)行清洗，裝配好天線和工裝后進(jìn)行共晶焊接，經(jīng)X-ray檢測，焊錫覆蓋率大概在95%以上，證明此工藝方法和過程正確。

表1 溫度曲線參數(shù)

圖6 繪制出的共晶焊接曲線

5 結(jié)論

通過改進(jìn)工藝方法，采用常規(guī)回流焊接焊錫覆蓋率在80%以上，較之前提高30%左右；采用共晶焊接，在真空環(huán)境進(jìn)行共晶焊接，可有效抑制氧化物的產(chǎn)生，降低空洞率，極大的提高焊接質(zhì)量，較之前提升40%左右；兩種工藝方案均可滿足實(shí)際生產(chǎn)。

本批次天線共計(jì)80塊，因?yàn)閱挝还簿t腔體較小，焊接時(shí)間長、回溫慢，且天線交付任務(wù)急，故全部采用常規(guī)回流焊接，一天內(nèi)即可完成天線焊接。經(jīng)X光檢驗(yàn)，透錫率均在80%以上。

通過工裝設(shè)計(jì)、焊料改進(jìn)、工藝參數(shù)優(yōu)化，提高了天線的透錫率，提升了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，為大面積錫焊的工件提供了可靠的工藝方法。