萬(wàn)錄明

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

同軸饋電微帶天線是在一個(gè)薄介質(zhì)基片（如聚四氟乙烯玻璃纖維壓層材料）上，一面滿附金屬薄層接地，另一面用蝕刻特定形狀的金屬貼片，利用同軸探針對(duì)貼片饋電構(gòu)成的功能部件。微帶天線模型如圖1 所示。

圖1 微帶天線模型

微帶天線是20 世紀(jì)中后期逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型天線。微帶天線有著體積小、重量輕、制造成本低、容易實(shí)現(xiàn)共形等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，可方便地實(shí)現(xiàn)線極化或圓極化以及雙頻工作，因而，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)通信、導(dǎo)航、識(shí)別、雷達(dá)、廣播和航空航天等領(lǐng)域。特別是隨著各類機(jī)載平臺(tái)的輕量化以及低RCS 需求，微帶天線作為相控陣天線、共形天線的主要實(shí)現(xiàn)形式，逐漸成為天線領(lǐng)域的主要發(fā)展方向[1-6]。應(yīng)用實(shí)例見圖2。相信隨著需求的推動(dòng)及技術(shù)的發(fā)展，這種天線的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

圖2 微帶天線的應(yīng)用實(shí)例

同軸饋電式微帶相控陣天線陣面是一種典型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組成較為簡(jiǎn)單，通常由金屬底板、微帶板和SMP 連接器互聯(lián)形成[7-8]，三個(gè)組成件本身的制造是常規(guī)的，但在同軸饋電微帶相控陣天線陣面裝配方法與工藝控制措施方面仍存在較多工藝難點(diǎn)。本文以某毫米波同軸饋電微帶相控陣天線為例，重點(diǎn)介紹微帶天線陣面的集成工藝技術(shù)以及主要控制環(huán)節(jié)。

1 結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

微帶相控陣天線陣面通常由金屬底板、微帶板和SMP 連接器互聯(lián)形成，如圖3 所示。金屬底板材料為防銹鋁合金，起到支撐微帶板作用，也是微帶板和SMP 連接器的接地構(gòu)件；微帶板是天線陣面的關(guān)鍵功能構(gòu)件，是內(nèi)帶有特定形狀和數(shù)量金屬貼片圖形的低損耗聚四氟乙烯介質(zhì)板；SMP 連接器即小型射頻同軸連接器，是毫米波頻段微帶天線中的常用射頻傳輸構(gòu)件。為滿足指標(biāo)和使用要求，微帶板與金屬底板需大面積可靠無(wú)縫連接；SMP 連接器在確保外殼與金屬底板可靠接地且不影響射頻傳輸過(guò)程中阻抗匹配的同時(shí)，其插針還需與貼片保持良好饋電。整個(gè)陣面均須滿足使用插拔、振動(dòng)、惡劣工作環(huán)境等多方面的要求。

圖3 某毫米波微帶天線陣面結(jié)構(gòu)剖面圖

對(duì)于微帶天線陣面的工藝實(shí)現(xiàn)，金屬底板、微帶板、接插件的加工、裝配精度和一致性均是保證駐波、增益等天線指標(biāo)的關(guān)鍵[9-10]。同時(shí)，隨著天線工作頻段的提高、陣元間距縮小、加工及裝配的尺寸精度和一致性要求大大提高，對(duì)高精密設(shè)備及操作技能依賴程度高，工藝難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)低頻電路模塊。因此，需要研究微帶天線陣面集成裝配方法及工藝控制措施。

2 微帶天線陣面集成工藝方案

微帶天線陣面的工藝實(shí)現(xiàn)主要涉及金屬基板、微帶片與SMP 連接器的制造及互聯(lián)，其天線陣面的制造工藝流程如圖4所示。其中，金屬基板采用精密數(shù)控加工，保證高尺寸精度要求，微帶片與SMP 連接器直接向企業(yè)定制，因此微帶天線陣面制造的關(guān)鍵技術(shù)在集成上，重點(diǎn)在于根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際需求選用適應(yīng)的裝配方法并制定工藝控制措施，主要涉及金屬基板與微帶片的層壓工藝、金屬基板與SMP 的焊接工藝和集成效果檢測(cè)工藝[11]。

圖4 天線陣面工藝流程圖

2.1 微帶與金屬底板層壓工藝

層壓的工藝原理是利用半固化片從B-stage 向Cstage 的轉(zhuǎn)換過(guò)程，將各疊層粘結(jié)成一體[12-15]。半固化片在這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的狀態(tài)變化如圖5 所示。

圖5 半固化片的狀態(tài)變化

確定一個(gè)層壓Cycle 應(yīng)首先確定4 個(gè)工藝條件：升溫速度；預(yù)壓壓力、溫度及時(shí)間；主壓壓力、溫度及時(shí)間；保壓冷卻時(shí)間。層壓是通過(guò)加溫、高壓，使半固化片樹脂熔融流動(dòng)，進(jìn)一步滲入到粘接基材間隙中去，并使樹脂從A 階段進(jìn)到B 階段，產(chǎn)生固化成型、層間牢固粘接的加工過(guò)程。真空壓制方式可使樹脂更加緊密地填充間隙，并消除層間的氣隙、氣泡。層壓設(shè)備提供三大基礎(chǔ)作用：抽真空、加熱并控溫、加壓。

微帶與金屬底板層壓工藝的疊板示意圖如圖6 所示。其中，層壓工裝是控制層壓變形、減小層壓空洞率，均壓工裝改變微觀局部高低部位的力量分布，使其基本均勻一致，從而減少層壓內(nèi)部缺陷。微帶與金屬底板層壓的關(guān)鍵是材料體系的選擇和工藝過(guò)程控制。

圖6 層壓疊板示意圖

材料體系的選擇需綜合考慮電路指標(biāo)、使用環(huán)境、層壓及后續(xù)工藝環(huán)境、對(duì)位精度等因素，微帶片與半固化片的選擇是關(guān)鍵。微帶片的選擇主要基于與金屬基板材料間的熱匹配，微帶片材料應(yīng)具有同鋁合金相近的熱脹系數(shù)，特別是當(dāng)微帶片較厚時(shí)還要關(guān)注材料的Z向膨脹系數(shù)，本次試驗(yàn)選擇ARLON 公司的CLTE-XT（介電常數(shù)為2.94，損耗正切角為0.001 2，XYZ熱膨脹系數(shù)分別為8，8，20）。半固化片的選擇主要考慮固化條件、含膠量、流膠率、環(huán)境適應(yīng)性等。本次試驗(yàn)采用非導(dǎo)電熱固性PP（型號(hào)FR-27-0030-25，厚3 mil，含膠量25%，低流動(dòng)性，層壓溫度峰值為235 ℃）。

在確定了層壓工藝及材料體系后，層壓工藝過(guò)程控制是保證層壓質(zhì)量的關(guān)鍵，主要包括表面處理、對(duì)位精度、流膠量和層壓參數(shù)等。本次試驗(yàn)層壓面采用噴砂和彩色導(dǎo)電氧化處理，微帶片與金屬基板用兩銷一面控制對(duì)位精度，通過(guò)設(shè)計(jì)PP 層預(yù)減料的同時(shí)選擇合理保溫時(shí)間來(lái)控制PP 的流膠量，層壓參數(shù)過(guò)程采用兩段加壓進(jìn)行試驗(yàn)。層壓工藝參數(shù)的工藝控制為第一段加壓主要提供壓力，保證先軟化的樹脂與銅箔充分接觸和咬合，之后當(dāng)樹脂隨溫度變化粘度較低時(shí)提供第二段壓力。層壓工藝參數(shù)溫度、壓力、時(shí)間有機(jī)匹配，只有在先試壓保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，才能確定最佳的溫度、壓力、時(shí)間控制參數(shù)。本次試驗(yàn)經(jīng)過(guò)試壓驗(yàn)證，確定了層壓工藝參數(shù)曲線圖如圖7 所示。

圖7 層壓工藝參數(shù)曲線圖

2.2 陣列SMP 連接器焊接工藝

SMP 連接器的焊接為SMP 外殼與金屬基板的錫焊，圖8 是某焊接型SMP 連接器的開孔推薦尺寸以及焊料放置位置示意圖。為了確保陣列SMP 連接器的焊接質(zhì)量，焊接前對(duì)金屬基板SMP 安裝孔進(jìn)行清洗，去除前面層壓內(nèi)殘余的凝膠和助焊劑等多余物，裝配時(shí)采用熔點(diǎn)為183 ℃的Sn63Pb37 的自制精密焊環(huán)，并采用工裝保證所有SMP 肩部臺(tái)階焊接后與金屬基板接觸良好，不影響傳輸阻抗；焊接時(shí)使用燒結(jié)爐精確溫控及加熱時(shí)間，確保SMP 焊接質(zhì)量。

圖8 SMP 開孔及焊接示意圖

本次試驗(yàn)中，由于天線陣面有若干陣列SMP 連接器與金屬基板焊接，SMP 連接器和焊孔存在加工誤差，必然是最高的三處首先接觸，從而限制了工裝對(duì)其余聯(lián)接器的預(yù)緊。因此，為了避免此弊端，本文設(shè)計(jì)了一種彈性組合式焊接裝配工裝以補(bǔ)償所有誤差，結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。彈性組合式焊接裝配工裝分別由彈性單元、夾具體、導(dǎo)熱塊和壓板組成，其中彈性單元與夾具體過(guò)盈配合形成同金屬底板相同的陣列彈性組合式裝配工裝。將用夾具裝夾完成后的天線陣面連同工裝放入燒結(jié)爐，溫度設(shè)定為250 ℃，保溫25 min，停止加熱，開門鼓風(fēng)，待溫度降至183 ℃以下，取出自然冷卻，完全冷卻后卸去工裝，從而確保產(chǎn)品電路指標(biāo)及長(zhǎng)期可靠性。

圖9 彈性組合式裝配工裝結(jié)構(gòu)彈性單元示意圖

2.3 集成效果檢測(cè)工藝

為了驗(yàn)證微帶相控陣天線陣面金屬基板與微帶片、SMP 連接器與金屬基板的集成效果，需要開展層壓空洞率和連接強(qiáng)度檢測(cè)，本次試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容為層壓空洞率、層壓拉脫強(qiáng)度和陣列SMP錫焊效果。檢測(cè)要求和流程如下：

1）層壓空洞率檢測(cè)：主要利用超聲進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為層壓區(qū)空洞總和不超過(guò)總層壓面積的20%，同時(shí)空洞與外輪廓邊緣距離不小于3 mm。

2）層壓拉脫強(qiáng)度檢測(cè)：利用真空吸附工裝，通過(guò)抽真空將工件吸附緊，下面吊砝碼可增減砝碼的重量，進(jìn)行符合性檢測(cè)，測(cè)試示意圖如圖10 所示，極限測(cè)試時(shí)增加砝碼直至將吸附面拉脫或復(fù)合面拉脫。

圖10 真空吸附檢測(cè)層壓拉脫強(qiáng)度原理示意圖

該種測(cè)試方法吸附就可使用，對(duì)產(chǎn)品沒(méi)有任何損害，使用方便，特別是應(yīng)用于后期的抽檢砝碼值固定，使用方便快捷。這是真空首次使用于檢測(cè)，方便快捷，不污染產(chǎn)品，這種檢測(cè)方式有一定優(yōu)越性。

3）陣列SMP 錫焊牢度檢測(cè)：主要利用SMP 連接器內(nèi)腔的擒縱環(huán)，設(shè)計(jì)專用彈性卡簧檢測(cè)工裝，如圖11 所示?？ɑ傻谋诤裾{(diào)整到剛好滿足測(cè)試限值，對(duì)所有SMP連接器卡進(jìn)行插拔一遍檢測(cè)，不發(fā)生SMP 連接器脫落即認(rèn)為錫焊強(qiáng)度合格。

圖11 SMP 錫焊牢度檢測(cè)工裝照片

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用微帶天線陣面集成工藝方案對(duì)某毫米波同軸饋電微帶天線陣面進(jìn)行工藝驗(yàn)證，裝夾示意圖和驗(yàn)證結(jié)果如圖12所示，并按集成效果檢測(cè)工藝進(jìn)行了層壓空洞率、層壓拉脫強(qiáng)度和陣列SMP錫焊效果檢測(cè)。由圖12可得，微帶天線陣面裝夾良好，層壓后表面無(wú)溢膠缺陷，焊錫無(wú)污染外觀表面。經(jīng)超聲波檢測(cè)層壓面無(wú)明顯分層，如圖13 所示，無(wú)明顯氣孔，層壓面空洞率小于30%；層壓拉脫強(qiáng)度的最大載荷為50 kPa，滿足設(shè)計(jì)提出的極限載荷49.2 kPa；陣列SMP錫焊的卡簧檢測(cè)無(wú)一SMP連接器松動(dòng)或脫落現(xiàn)象。綜上，采用的微帶天線陣面集成工藝方案有效，能完全滿足該類同軸饋電微帶相控陣天線陣面制造。

圖12 某毫米波同軸饋電微帶天線陣面驗(yàn)證結(jié)果

圖13 層壓面超聲波檢測(cè)結(jié)果

同時(shí)，天線陣面電性能測(cè)試合格，隨天線整機(jī)完成了高溫、低溫、溫度沖擊、溫度-高度、低氣壓、淋雨、濕熱、振動(dòng)、加速度、沖擊、戶外暴曬、溫-濕-振綜合試驗(yàn)等環(huán)境適應(yīng)考驗(yàn)，充分表明該集成工藝滿足機(jī)載平臺(tái)長(zhǎng)期可靠性要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)某毫米波微帶天線陣面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了微帶天線陣面集成工藝方法與工藝控制措施，主要包括微帶與金屬底板層壓工藝、陣列SMP 連接器焊接工藝和集成效果檢測(cè)工藝。通過(guò)對(duì)同軸饋電微帶相控陣天線陣面集成工藝進(jìn)行分析，得到了層壓工藝參數(shù)、焊接工藝參數(shù)和工藝控制措施，并進(jìn)行了工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明層壓與焊接質(zhì)量良好，空洞率、層壓抗脫落強(qiáng)度和焊接強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，可用于實(shí)際生產(chǎn)，解決了同軸饋電微帶相控陣天線陣面裝配與工藝控制難題。