第五東超，張 樂，程愛國，王 凱，金展嗣

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

相控陣天線由于其波束指向速變的優(yōu)勢在空間載荷中廣泛應(yīng)用[1-3]，是未來衛(wèi)星的重要發(fā)展方向之一。收發(fā)組件作為相控陣天線核心部分，是天線輻射幅度及相位的主要控制部分。相控陣天線集成化、小型化的發(fā)展趨勢要求收發(fā)組件具備更高系統(tǒng)集成度、更小的成本及體積。在此趨勢下多層微波基板的應(yīng)用與發(fā)展、瓦式T/R組件的集成安裝、波控和電源的模塊化對于現(xiàn)有工藝制造能力提出了新的需求。收發(fā)組件中功率分配與合成網(wǎng)絡(luò)的小型化需要微波基板電路與機殼大面積接地互聯(lián)，并使用規(guī)格更小的連接器實現(xiàn)模塊與模塊、組件與組件的電氣連接和信號傳輸[3]。

某型號使用的相控陣天線收發(fā)組件進行了集成化設(shè)計，在此設(shè)計中要求工藝前端將尺寸為145 mm×160 mm的RO4350B微波基板和39個SMP連接器焊接至鋁鍍銀機殼上。要求：1)基板焊接后有效焊接面積75%以上，焊接有效區(qū)域沒有貫穿縫，且單個空洞面積不超過有效焊接面積的10%；2)焊接后SMP 尾端與機殼平面度最大落差不超過 0.1 mm，SMP連接器引線(直徑0.4 mm)與基板SMP孔(直徑0.8 mm)中心同軸，最大偏差 ±0.05 mm，引線腔體內(nèi)無多余物；3)SMP連接器孔縫表面填滿95%以上，且無裂紋存在。為確保焊接后SMP與基板之間的精密配合及焊接質(zhì)量提出一體化焊接。由于產(chǎn)品設(shè)計中使用的微波基板尺寸大，SMP裝配精度要求高，在試驗過程中存在如基板變形嚴(yán)重、釬透率低、SMP引線不居中、短路等諸多問題。為此，本文通過分析焊接產(chǎn)生的各項具體問題，通過工藝設(shè)計、實驗驗證，實現(xiàn)了大尺寸微波基板與連接器的一體化精密裝焊，有效解決了大面積微波基板與連接器焊接制造過程中存在的各疑難點，保證了產(chǎn)品焊接的精密性和高可靠性。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裝焊工藝設(shè)計

圖1和圖2為某型號中要求的RO4350B基板與SMP連接器安裝示意圖。機殼內(nèi)部需要將尺寸規(guī)格為145 mm×160 mm的RO4350B微波基板整面焊接至機殼。機殼背面需焊接39個SMP，焊接后，SMP引線上表面與基板CS面在同一水平面。

(a) 機殼正面

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

機殼在進行基板與SMP的焊接后，還需進行剩余電裝工藝，因此為與后續(xù)操作使用的釬錫焊料拉開梯度，選用熔點為217 ℃的Sn96.5Ag3.0Cu0.5焊料進行前端工藝基板、SMP連接器及機殼一體化焊接，殼體材料使用2H12鋁合金，為確?？珊感允褂谜w鍍銀工藝。

焊膏進行焊接時涂覆的均勻性、重復(fù)性相對焊片較差[4]，而焊片操作簡單方便，同時考慮到基板尺寸大，為最大限度減少和控制助焊劑對焊接的影響，基板焊接使用焊片，SMP使用焊環(huán)[5-7]。焊接結(jié)構(gòu)相關(guān)信息如表1所列。

表1 焊料、基板及機殼

其主要工藝指標(biāo)難點有以下幾點：

1)基板釬透率

基板焊接后釬透率影響接地效果，進而影響整個產(chǎn)品電性能，是產(chǎn)品制造的重要指標(biāo)[8]。該型號中基板尺寸過大，層數(shù)多，加工工藝復(fù)雜，因此翹曲變形較大，經(jīng)測量最大變形量可達0.7 mm，平均每塊基板翹曲最大變形量可達0.5 mm，焊接時極易形成較大焊接孔洞，難以滿足基板焊接后有效焊接面積75%以上，單個空洞面積不超過有效焊接面積10%的要求，因此需要特定工裝在焊接基板施加壓力的同時對基板的平面度進行矯正，以保證基板、焊料片、機殼三者均衡接觸。焊接時基板上排氣孔的設(shè)置也會對焊接空洞產(chǎn)生影響，合理設(shè)置透氣孔數(shù)量和位置有利于提高基板釬透率。

2)SMP連接器焊接精度

該型號產(chǎn)品中，基板上SMP引線孔直徑0.8 mm，SMP引線直徑0.4 mm，要求焊接后基板SMP孔與SMP連接器中心同軸，最大偏差 ±0.05 mm且SMP連接器引線上表面與基板處于同一平面；SMP尾端與機殼平面度最大落差不超過0.1 mm。對于裝配和焊接精度要求高。

3)焊料量控制

SMP連接器焊接時焊料量過多時會產(chǎn)生漫錫，引起基板SMP引線孔與SMP連接器的短路，焊料量過少不能滿足SMP連接器孔縫表面填滿95%以上。同時基板焊接時需要控制焊料量，為保證基板、焊料機殼三者之間均衡接觸，通常施加壓力過多的焊料量易造成漫錫，從而影響后道工序，焊料量不足時導(dǎo)致焊接面積不足形成大焊接空洞。焊料量控制是影響焊接質(zhì)量的重要因素。

4)焊接溫度控制

由于機殼與基板尺寸厚度大，在與工裝組裝形成焊接樣件后，焊接樣件整體尺寸過大，焊接樣件整體各部位溫度難以均衡，加熱面從上到下溫度不一致。其次，焊接樣件組裝后熱熔大，升溫降溫困難，對于焊接溫度的控制難度大，對焊接質(zhì)量存在重要影響。

2 工藝難點分析及解決路徑

2.1 基板釬透率

該型號中基板尺寸過大，翹曲變形嚴(yán)重，部分基板的翹曲變形量如表2所列，焊接時使用焊片厚度為0.1 mm，若對基板變形不進行控制極易形成較大焊接孔洞，因此需要設(shè)計工裝在焊接基板施加壓力的同時對基板的平面度進行矯正，保證基板、焊料片、機殼三者均衡接觸，以此改善焊接條件，保證焊料與基板整面均衡接觸，獲得良好焊接質(zhì)量[9]。

表2 翹曲最大變形量h

針對上述基板翹曲變形問題需要考慮設(shè)計加壓工裝，為避免造成熱容更大的情形，增加焊接難度，因此結(jié)合樣件本身螺釘孔位設(shè)計專用基板固定與調(diào)整工裝，如圖3所示，在工裝下方五個易翹曲變形位置放置壓塊，固定于機殼上的調(diào)整工裝使用螺釘對壓塊施加壓力，調(diào)整基板變形，確保基板焊接時焊料與基板整面均衡接觸，獲得良好焊接質(zhì)量。該工裝有如下特點：1)壓塊分區(qū)放置，可對不同基板的不同變形進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)；2)避免同時施壓時壓力造成焊料的不均勻，減少工裝對焊料的影響；3)結(jié)合樣件本身螺釘孔位設(shè)計簡化調(diào)整工裝，避免塊狀工裝造成的熱熔過大情形；4)充分避讓基板上存在的各種排氣孔及SMP孔，有利于焊接時氣體的快速釋放，對于減小焊接空洞具有重要作用。

圖3 基板加壓工裝設(shè)計示意圖

焊接空度率還受焊接氛圍、焊接曲線等因素的影響[9]，考慮到基板空洞率要求，使用熱板式真空焊接機進行焊接，同時，要求產(chǎn)品設(shè)計在基板上方增加排氣孔，在焊接時進行抽真空操作，減少焊接空洞。

2.2 SMP連接器焊接精度

2.2.1 焊接后平面度

產(chǎn)品設(shè)計時要求SMP焊接后尾端與機殼背面處于同一平面，且平面度要求小于0.1 mm。為保證SMP內(nèi)部焊接質(zhì)量，需要在SMP臺階處裝配焊料環(huán)，但在配裝焊料環(huán)后整體相對于機殼背面形成突起，如圖4所示。焊接時SMP連接器自身重量較輕，在焊料熔化后受焊料表面張力的作用難以自行落入焊接位置[10]，因此設(shè)計工裝對SMP焊接后的平面度進行保證。

圖4 SMP尾端突起示意圖

考慮到為保證基板焊接質(zhì)量使用以熱傳導(dǎo)方式的焊接熱板式真空焊接機，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安裝基板加壓工裝之后需要機殼背面進行受熱對焊件加熱。為保證焊料熔化后SMP能夠焊接到位，同時確保焊接時載體焊爐與樣件傳熱正常，設(shè)計并加工了厚度為5 mm的機殼底部SMP專用工裝。工裝與爐內(nèi)加熱板接觸面平整，與SMP接觸位置設(shè)計了小凸臺，其內(nèi)部安裝小彈簧，如圖5所示。保證SMP在焊料熔化后受彈力作用頂入焊接位置，保證焊接后機殼背面平面度。

圖5 SMP專用工裝底部設(shè)計剖面(部分)

2.2.2 SMP引線裝配精度控制

產(chǎn)品需求焊接后的SMP引線居于基板SMP孔中間位置，且無短路現(xiàn)象，而基板上SMP孔直徑僅為0.8 mm，SMP引線部位直徑0.4 mm，經(jīng)計算SMP引線偏差5°時即可發(fā)生短路現(xiàn)象。該型號產(chǎn)品中，要求焊接后基板SMP孔與SMP連接器中心同軸，最大偏差±0.05 mm且SMP連接器引線上表面與基板處于同一平面；SMP尾端與機殼平面度最大落差不超過0.1 mm。同時，焊接時錫珠的迸濺也會造成短路，一顆錫珠的存在會造成整板的報廢?？紤]對SMP引線的防護及確保SMP與基板裝焊精度，選用內(nèi)徑0.3 mm，壁厚0.15 mm的聚四氟乙烯套管工裝對焊接前的SMP連接器引線進行保護，保證SMP連接器引線與印制板之間的空氣腔不會有焊料進入，且確保SMP裝配和焊接時引線居于基板SMP孔中間位置。

2.3 焊料量控制

2.3.1 焊料量

機殼SMP安裝孔與連接器本身之間的間隙制約著連接器安裝焊接后的精度和質(zhì)量。間隙過小，焊料潤濕不足，造成焊接空洞；間隙過大，裝配精度不足，易造成漫錫和短路[10]，因此根據(jù)連接器尺寸設(shè)計安裝孔尺寸，確保焊接精度的同時保證焊料量，在安裝孔中間和尾端設(shè)計與連接器尺寸匹配的焊料槽，機殼上SMP連接器孔外部倒角高度設(shè)計為0.3 mm。根據(jù)機殼上SMP連接器安裝孔體積V1與SMP連接器體積V2計算出所需焊料量，再根據(jù)使用的φ2.6 mm和φ4.4 mm焊環(huán)具體尺寸確定焊環(huán)數(shù)量。

V1-V2=V焊料

(1)

Vφ2.6 mm+Vφ4.4 mm=V焊料

(2)

φ4.4 mm的焊環(huán)安裝位置為SMP連接器尾端，為保證尾端焊料能全部進入焊縫，因此先確定φ4.4 mm的焊環(huán)數(shù)量為2。經(jīng)計算φ2.6 mm焊環(huán)需要3.6個，最終焊接時每個SMP連接器使用4個φ2.6 mm和2個φ4.4 mm焊環(huán)。

(a) SMP安裝孔結(jié)構(gòu)

2.3.2 助焊劑使用

助焊劑的用量對焊接質(zhì)量有嚴(yán)重影響，過量的助焊劑容易在焊接面氧化層發(fā)生反應(yīng)并殘留形成焊接空洞[11]，而助焊劑不足時，焊料潤濕性差。在該型號中，SMP焊環(huán)使用的助焊劑過量時，助焊劑會流過機殼上SMP引線孔和基板SMP引線孔，從而形成潤濕條件，焊接時焊料由于毛細(xì)現(xiàn)象爬過引線孔造成SMP與基板短路。基板助焊劑用量過多形成焊接空洞[12]。通過試驗驗證控制助焊劑用量和涂覆位置，基板焊接時，在基板焊接面和機殼焊接面刷助焊劑，SMP焊接時在機殼SMP安裝孔、SMP焊接面、焊環(huán)上刷助焊劑，控制適當(dāng)?shù)闹竸┯昧?，可獲得良好焊接效果。

2.3.3 焊接防護

基板正面和SMP尾端均為鍍金材質(zhì)，焊接時濺錫容易造成污染，在焊接前進行保護，可有效避免污染?；逭媸褂靡粚泳埘啺繁∧けＷo焊盤，同時避開基板上原有孔，有利于焊接時基板底部排氣，從而減小空洞。使用GD-414保護SMP連接器尾端，膠液面平整，操作過程中不污染到引線的端面(金帶壓接面)。

(a) 基板保護

焊接面原有油脂、有機酸等雜質(zhì)在焊接過程中會與金屬氧化物反應(yīng)后產(chǎn)生焊接孔洞，因此焊前應(yīng)對基板SMP連接器及機殼焊接面進行擦洗，避免雜質(zhì)對焊接質(zhì)量的影響。

2.4 焊接曲線控制

將基板、SMP連接器、機殼及工裝組合裝配好形成焊接樣件后，整體熱熔大，升溫困難。提高預(yù)熱區(qū)、回流區(qū)溫度并增加時間，可保證焊接樣件整體溫度均衡[13-14]。

本文中使用的熱板式低溫真空釬焊是大面積基板焊接時廣泛采用的釬焊工藝。工藝過程中將基板、焊料、SMP連接器及對應(yīng)工裝組合后放置于設(shè)備中，通過熱板對焊接樣件加熱，焊料在真空和惰性氣體環(huán)境下被加熱至熔點熔化，與基板底面、SMP連接器及鋁鍍銀機殼焊接面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬間化合物，從而實現(xiàn)基板和SMP連接器的焊接，焊接時熱量傳輸路徑如圖8所示。典型熱板式低溫真空釬焊時通過兩輪抽真空和充氮氣后開始進行加熱，在焊接區(qū)進行抽真空操作[15-16]。

圖8 傳熱路徑示意圖

監(jiān)測焊接樣件溫度在進入回流區(qū)后30 s內(nèi)到達焊料熔點，可保證焊接時充分進行抽真空，有效減少了焊接孔洞。熱板式回流焊接溫度從靠近熱板一側(cè)向上溫度逐漸降低，焊接樣件中，基板焊接面與SMP焊接面不在同一平面，焊接時焊接溫度有所差異，為均衡基板與SMP連接器的焊接溫度，預(yù)熱時間進行延長，增加抽真空時間。經(jīng)多次試驗，確定當(dāng)基板焊接溫度240.2 ℃時，基板和SMP連接器均可獲得良好焊接效果。

同時，經(jīng)多次驗證，上述工藝方法可應(yīng)用于更大尺寸基板的焊接，當(dāng)前已驗證基板焊接單邊最大尺寸可達285 mm。

3 試驗結(jié)果

3.1 指標(biāo)合格性

對焊接后的產(chǎn)品樣件進行外觀及X光檢驗，確定樣件質(zhì)量合格。典型產(chǎn)品X光檢查結(jié)果如圖9所示。

圖9 典型產(chǎn)品X光

經(jīng)檢查，基板與機殼焊縫焊料潤濕良好，無裂紋存在，部分孔洞邊、基板四周存在焊料溢出的情況，使用X光檢查焊接面質(zhì)量，焊接有效面積大于基片面積的85%；基板焊接有效區(qū)域沒有貫穿縫，且單個空洞面積不超過有效焊接面積的10%；45倍顯微鏡下檢查SMP焊接焊料潤濕良好，孔縫表面均至少填滿95%，且無裂紋存在，SMP內(nèi)引線無彎折，尾端嵌入機殼無突出，引線腔體內(nèi)無多余物，各SMP進行X光檢測，與基板之間均無錫渣、無短路現(xiàn)象，SMP同軸度偏差<0.05 mm，且平面度落差小于0.05 mm，滿足預(yù)期指標(biāo)及后續(xù)需求，指標(biāo)符合性如表3所列。

表3 指標(biāo)符合性

3.2 金相分析

取環(huán)境試驗后的樣件沿基板對角線剖切進行金相分析，基板和SMP金相剖切典型照片如圖10所示，焊接情況良好，在環(huán)境試驗后未發(fā)現(xiàn)裂紋和大尺寸焊接空洞。從基板和SMP金相剖切結(jié)果可以看出，所有焊點的焊縫厚度均勻，無可見裂紋，證明基板與SMP一體化焊接的可靠性。

圖10 基板與SMP金相剖切典型照片

4 結(jié)論

本文針對某型號相控陣天線收發(fā)組件中要求的145 mm×160 mm的RO4350B微波基板和39個SMP連接器安裝至鋁鍍銀機殼上，提出了大尺寸微波基板與連接器一體化精密裝焊方案。對工藝難點進行分析并提出解決途徑，解決了焊接工藝中存在的空洞率、裝焊平面度、溫度不均衡等問題。確定最終焊接工藝使基板與SMP連接器焊接指標(biāo)均滿足要求，有效焊接面積均可達85%，SMP連接器孔縫表面均填滿95%以上，同軸度偏差<0.05 mm，且平面度落差小于0.05 mm，裝配精度和質(zhì)量滿足型號需求，對于后續(xù)同類型產(chǎn)品具有借鑒意義。