金蓓蓓 許 迪 陳桂蓮 劉曉陽 馬曉萌

宇航微波組件金帶連接可靠性研究

金蓓蓓 許 迪 陳桂蓮 劉曉陽 馬曉萌

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

在宇航領(lǐng)域微波組件射頻同軸電連接器與微帶板間的互連工藝中，金帶連接作為一種高可靠柔性互連方式，具有優(yōu)異的微波性能，能夠降低結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。在金帶連接工藝中，金帶與鍍金微帶線或電連接器芯線之間的焊接強度尤為關(guān)鍵。本文通過正交試驗、拉力試驗等方法研究了金帶連接工藝參數(shù)對焊接強度的影響，得到了最優(yōu)工藝參數(shù)；通過金相分析研究了焊點內(nèi)部熔合情況；通過分析焊點拉斷情況和拉力曲線，研究了焊接機理。

射頻連接器；互連工藝；金帶連接；電阻焊

1 引言

隨著微波信號頻段的不斷提升，宇航領(lǐng)域微波產(chǎn)品的頻段已覆蓋到X以及Ka波段，對信號傳輸部分的損耗及電壓駐波比也有了更高的要求。射頻同軸電連接器與微帶板之間的連接方式通常有焊料硬連接和Ω型跨接片（可伐鍍金或銅帶）焊接、金帶連接三種方式。傳統(tǒng)的直接焊接信號差損小，駐波較好，但由于常用鋁基殼體與陶瓷微帶板的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致焊點熱應(yīng)力較高；Ω型跨接片的焊接方式利于釋放熱應(yīng)力，但在高頻段微波性能變差，且具有一定的焊接難度；金帶連接是通過電阻點焊的方法將金帶與射頻同軸連接器芯線及微帶線上的金鍍層之間焊接，對微波信號傳輸性能影響小、環(huán)境適應(yīng)力強、受熱應(yīng)力影響小。在金帶連接工藝中，金帶與鍍金微帶線或電連接器芯線之間采用平行間隙電阻焊的方法，其焊接強度尤為關(guān)鍵，有必要深入研究。

2 試驗方案

2.1 試驗材料的設(shè)計和選擇

使用的試驗裝備和材料為電子點焊機、結(jié)構(gòu)盒體、微帶板、金帶四部分。電子點焊機選用電容儲能式SW P300型點焊機，結(jié)構(gòu)盒體為鋁合金板，微帶板上設(shè)計有50Ω阻抗直通微帶線，表層用鎳打底電鍍軟金，鍍金厚度為2.5～4.5μm。微帶板通過螺釘緊固在盒體底面。金帶選用金含量99.99%的軟金金帶，寬度0.5mm，厚度12.7μm。樣品拉力試驗采用荷蘭XYZTEC Condor系列推拉力測試儀配置的夾拉力傳感器。部分試驗材料實物圖如圖1所示。

圖1 盒體、微帶板及點焊機實物圖

2.2 試驗方案

微帶線與金帶的點焊參數(shù)研究采用正交試驗的方法。正交試驗中，焊接電壓、電極壓力、焊接時間每個參數(shù)選取5個變量，三因素五水平，一共25組試驗，每個參數(shù)試驗三次，取其均值。電極壓力選取8.4～14N，焊接電壓選取0.60～0.80V，焊接時間選取8～20ms。使用拉力機的單點拉力夾頭進(jìn)行焊點拉斷力試驗。

試驗中對金帶焊點拉力試驗過程中的斷裂方式進(jìn)行了記錄，如圖2所示。將焊點的斷裂方式分為三類：

a.斷裂方式a：鍵合面處完全脫落，焊點斷裂在兩種鍵合材料的界面上；

b.斷裂方式b：鍵合面部分撕裂；

c.斷裂方式c：斷裂在頸縮處或金帶其他部位。

圖2 三種斷裂方式示意圖

3 焊接工藝研究

3.1 微帶線與金帶焊接工藝研究

選取的正交試驗參數(shù)及試驗結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗結(jié)果

對各組單一變量下的拉力值和電流的平均值進(jìn)行整理，圖3展示了焊接參數(shù)與記錄到的焊接電流和拉伸性能的關(guān)系。從圖中可看出，隨著電極壓力、焊接電壓、焊接時間的增大，焊點最大拉力均先增加后趨于平穩(wěn)。電極壓力和焊接時間對記錄到的焊接電流值影響不大，焊接電壓對記錄到的焊接電流值影響較大，二者為正相關(guān)。

圖3 焊接參數(shù)對拉力值和電流記錄值的影響

由焦耳定律可知，熱輸入與電壓的二次方成正比，與電阻成反比，與時間成正比。焊接電壓能夠直接改變焊接過程中的總能量，對焊點結(jié)合程度影響較大。電極壓力的作用主要在促進(jìn)金帶與微帶線的鍍金層之間的結(jié)合，促進(jìn)結(jié)合面變形擊碎氧化及雜質(zhì)層，減少接觸電阻，減少焊接打火等方面，但過大的變形會造成印制板基板材料變形、鍍層起翹等影響，因此對電極壓力仍需加以控制。短時間、大電壓的“硬參數(shù)”易導(dǎo)致電極打火、碳化等問題，長時間、小電壓的“軟參數(shù)”能夠緩解焊接過程中的打火、過度熔化等問題，有利于焊頭端面的平整和使用壽命。

綜合考慮焊接強度、材料變形、打火等因素，最終參數(shù)選擇=9.8～12.6N，=0.70～0.75V，=27ms。

3.2 焊點金相分析

使用以上工藝參數(shù)，制作微帶線-金帶焊點樣品，如圖4所示。金相分析依據(jù)技術(shù)條件GB/T 13298。

圖4 微帶線-金帶焊點

金相分析結(jié)果如圖5所示。從圖中看出，兩處焊點的焊接界面兩側(cè)金層已完全熔合，焊點無空洞、虛焊等焊接不良情況，焊接質(zhì)量良好。對于微帶線-金帶焊點，完全熔合的鍵合區(qū)域長度約550～600μm，略大于焊頭在該方向上的寬度300μm，說明焊點在焊頭下方形成了完整的熔合區(qū)域。

圖5 焊點金相分析結(jié)果

3.3 鍵合機理分析

采用的平行間隙焊是微點焊的一種，利用焊接區(qū)金屬本身的電阻熱和大量塑性變形能量，使兩個分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離，形成金屬鍵，在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠量的共同晶粒而得到焊點。電阻焊過程中，貼合面的邊緣電流密度出現(xiàn)峰值，該處加熱強度最大，因而將首先出現(xiàn)密封的塑性連接區(qū)的塑性環(huán)。

三種典型的拉力-位移曲線如圖6所示，在拉力試驗中，首先由鍵合區(qū)域邊緣受力，發(fā)生局部彈性變形，拉力-位移曲線上升，隨著焊點受力逐漸增大，根據(jù)焊點結(jié)合情況不同，分為以下三種情況：

圖6 三種典型斷裂方式的拉力-位移曲線

圖7 不同斷裂方式下微帶線表面狀態(tài)

a.焊點鍵合面未形成有效焊接，塑性環(huán)未形成，僅在局部區(qū)域形成結(jié)合。隨著彈性變形階段進(jìn)行，鍵合點內(nèi)部局部結(jié)合區(qū)域被破壞，焊點沿撕裂方向逐漸從微帶線撕脫。當(dāng)撕脫區(qū)域擴展至整個鍵合區(qū)域時，金帶從微帶線上脫落。脫落后表面情況如圖7a所示。

b.焊點鍵合面為充分焊接，塑性環(huán)形成，鍵合區(qū)域內(nèi)部未完全結(jié)合。隨著彈性變形階段進(jìn)行，拉力值達(dá)到塑性環(huán)邊緣處能承受的最大拉力值，塑性環(huán)一端被撕脫，撕脫區(qū)域擴展至鍵合區(qū)域內(nèi)部，拉力值下降，當(dāng)撕脫區(qū)域擴展至塑性環(huán)另一端時，拉力值再次上升然后下降，直至金帶完全被撕脫。

由于塑性環(huán)形成的程度不同，金帶撕裂一般開始于鍵合點邊緣內(nèi)部，并在撕裂過程中沿鍵合點內(nèi)部撕裂，也可能不會撕裂至塑性環(huán)另一端即從微帶線上脫落。撕裂后會有部分金帶在鍵合區(qū)域殘留，如圖7b所示。

c.焊點鍵合面兩側(cè)完全鍵合。彈性變形階段末期拉力不足以撕裂焊接鍵合面，因此進(jìn)入塑性變形階段，金帶在薄弱位置（一般為鍵合點邊緣）發(fā)生塑性變形，拉力值繼續(xù)增加，最終達(dá)到金帶自身抗拉強度而斷裂，如圖7c所示。

當(dāng)焊點拉斷方式為此方式時，焊點具有很高的焊接強度。拉斷力高于GJB548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》鍵合強度要求（約0.204N）的數(shù)倍，且大于GJB953A—2008《貴金屬及其合金板、片、帶材規(guī)范》中Au99.99材料強度對應(yīng)的抗拉力值（約0.765～0.953N）。

通過以上分析，應(yīng)控制焊接參數(shù)使焊點的斷裂方式為c（鍵合面邊緣斷裂），形成界面完全結(jié)合的可靠金帶點焊焊點。實際進(jìn)行產(chǎn)品連接器端子軟件包焊連接時，使用優(yōu)化的焊接參數(shù)焊接，同時通過觀察壓痕形態(tài)、試?yán)确绞脚袛嗪更c焊接質(zhì)量。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計正交試驗和拉力試驗的方法，研究了金帶連接工藝參數(shù)對焊接強度的影響，得到了最優(yōu)參數(shù)，通過金相分析驗證了焊點的結(jié)合情況，結(jié)合拉力試驗結(jié)果開展了金帶焊接的機理分析，比較了三種不同的斷裂方式對應(yīng)的焊接機理。結(jié)果表明，使用所選的工藝方法和優(yōu)化后的工藝參數(shù)能夠得到焊接可靠的金帶-微帶線焊點，連接強度滿足相應(yīng)國軍標(biāo)要求；機理分析結(jié)果表明，通過拉力試驗中的斷裂位置可以判斷焊點的焊接情況，當(dāng)金帶斷裂在頸縮處或金帶其他部位時，金帶焊接可靠。

1 姚銀華，徐亞軍，范童修.毫米波同軸微帶低駐波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計[J].通信對抗，2014，33(2)：27～30

2 嚴(yán)偉，姜偉卓，禹勝林.小型化、高密度微波組件微組裝技術(shù)及其應(yīng)用[J].國防制造技術(shù)，2009(5)：45～49

3 孫乎浩，陳澄，王成.微波組件同軸-微帶連接轉(zhuǎn)換工藝研究[J].電子工藝技術(shù)，2017(9)：276～279

4 曾樂，石小平，張紅權(quán).硅太陽電池方陣組裝的平行間隙電阻焊技術(shù)及其連接本質(zhì)[C].第七屆全國焊接學(xué)術(shù)會議論文集.青島：焊接學(xué)會，1993(3)：2～5

5 蘇彬，李洋.空間太陽電池焊接影響因素研究[J].電源技術(shù)， 2012(10)：1481～1483

Study on Reliability of Gold Band Connection for Aerospace Microwave Components

Jin Beibei Xu Di Chen Guilian Liu Xiaoyang Ma Xiaomeng

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109)

As a highly reliable and flexible interconnection method between rf coaxial electrical connectors of microwave components and microstrip circuit board in the aerospace field, the gold band connection has excellent microwave performance and can reduce the thermal and mechanical stress of the structure. In the process of gold band connection, the welding strength between gold band and gold-plated microstrip wire or electric connector core wire is particularly critical. In this paper, the influence of the technological parameters of gold band connection on the welding strength is studied by means of orthogonal test and tensile test, and the optimal technological parameters are obtained. The internal condition of the welding joint is studied through metallographic analysis. The welding mechanism is studied by analyzing the tensile curve and the tensile condition of the welding joint.

radio frequency connector；interconnection process；gold band connection；resistance welding

金蓓蓓（1981），高級工程師，電子信息工程專業(yè)；研究方向：電子裝聯(lián)。

2020-11-24