提高絕緣子焊接成品率的方法

轉(zhuǎn)自：高速射頻百花潭；來源：電子工藝技術(shù)；作者：高明起，蘇偉，張亞剛，董東，劉英

微波組件中絕緣子焊接時，要求具有高的氣密性、良好的接地釬透性，而傳統(tǒng)熱臺與熱吹風共同作用釬焊絕緣子的方法成品率低。研究發(fā)現(xiàn)，熱臺與腔體接觸面積小會導致微波腔體局部受熱，達不到釬料熔點；進行熱吹風輔熱時，釬料融化時間長且流布嚴重。使用熱風回流爐釬焊絕緣子可實現(xiàn)對產(chǎn)品整體均勻加熱，縮短釬料回流時間，焊接成品率達到92.5%。

微波組件作為航空航天等領(lǐng)域的重要電子設(shè)備組件，向著高可靠性、高集成度、高氣密性的趨勢發(fā)展。微波組件中一般包含多個作為信號輸入與輸出端口的玻璃絕緣子（如圖1所示），其中高頻絕緣子起到微波信號的傳輸通道的作用，低頻絕緣子起到饋電端口的功能。微組裝時，對絕緣子提出了氣密性、接地釬透性等要求，即：通過殼體與連接器構(gòu)成的氣密封裝，使內(nèi)部電路與外部環(huán)境隔絕，尤其是在包含了大量裸芯片的微波電路中，必須保護電路免受外界惡劣環(huán)境的影響；接地效果上要求釬透率高，以保證較小的插入損耗和電壓駐波比。

圖1 釬焊后的絕緣子

為了達到上述理想的裝配效果，微波組件上的絕緣子電連接器大量采用釬焊技術(shù)進行裝配，即通過合適的焊料完全密封連接器和工件裝配孔之間的間隙。目前，大部分微波組件絕緣子的釬焊均為預置錫鉛焊環(huán)+手工熱臺焊接的方式（如圖2所示）。由于操作者的熟練度和經(jīng)驗的不同導致絕緣子焊接的可靠性、一致性和外觀存在巨大差異，易出現(xiàn)絕緣子短路、歪斜、氣密性差等缺陷。

圖2 手工焊接絕緣子

01

影響絕緣子釬焊成品率的因素

手工熱臺釬焊絕緣子一次焊接成品率只有75%，易出現(xiàn)絕緣子氣密性差、短路、歪斜、空洞等缺陷，如圖3所示，不合格類型占比見表1。以上故障絕緣子的返修耗時長、成功率低，為提高焊接成品率，本文對相關(guān)影響因素進行如下分析。

圖3 絕緣子焊接缺陷

表1 不合格類型占比

 1.1 熱臺與腔體接觸面積小

手工熱臺釬焊絕緣子時，需先將微波腔體置于熱臺上進行預熱，再進行熱吹風輔熱。如圖4所示，將熱臺溫度設(shè)置為180 ℃，測量大、中、小三種微波腔體與熱臺的接觸面積占比、腔體的實際溫度，結(jié)果見表2。大、中、小三種腔體與熱臺的接觸面積占比分別為6.5%、4.0%、10.5%。由于微波腔體多為正反面開腔結(jié)構(gòu)，在熱臺上預熱時只有很窄的側(cè)壁與熱臺接觸，因此熱量主要通過輻射而非傳導的方式對腔體加熱，導致腔體的最高溫度均低于180 ℃，無法達到釬料的熔點，需要額外的熱吹風輔助加熱。

圖4 大、中、小三種典型腔體

表2 腔體與熱臺接觸面積占比

 1.2 熱吹風局部加熱方式不當

為測量腔體在熱吹風下的實際溫度，根據(jù)實際焊接流程，如圖5所示，將某微波腔體置于170 ℃熱臺，將測溫儀熱電偶壓于腔體上表面的位置1處，測試曲線如圖6所示。每10 s讀取一次溫度數(shù)據(jù)。加熱360 s后上表面溫度升至117.5 ℃，開始使用400 ℃熱吹風局部加熱，70 s后當前絕緣子表面的預置焊料熔化，熱吹風開始吹相鄰的下一處絕緣子，此時測溫熱電偶繼續(xù)測溫和讀數(shù)，直到熱吹風移動至位置2（與位置1的距離R為6 cm），測溫熱電偶讀數(shù)為179 ℃，基本可以判斷位置1焊料此時已開始凝固。通過溫度測試可知，位置1處絕緣子熔化后，吹風在對距離其6 cm范圍內(nèi)的其余絕緣子加熱時，該處絕緣子焊料幾乎一直處于熔化狀態(tài)，如圖7所示。以某微波腔體為例，位置1處6 cm范圍內(nèi)約有48顆絕緣子，單顆加熱時間以10 s計算，該處絕緣子處于熔化階段的時間將可能達到480 s。

圖5 熱臺和吹風焊接測溫示意圖

圖6 熱臺和熱吹風加熱的溫度測試曲線

圖7 樣件加熱融化范圍

對于鍍金腔體，由于錫鉛焊料中的錫與金之間會形成大量金屬間化合物，存在“金脆問題”，容易在焊縫形成大量孔洞，如圖8所示。因此，焊料長時間熔化后極易導致焊縫變脆并產(chǎn)生大量孔洞，導致氣密性難以滿足。對于鍍鎳腔體，長時間加熱導致助焊劑揮發(fā)失去活性，暴露在空氣中的錫鉛焊料易被氧化，影響釬料的流動性，導致釬料的填隙能力下降，另外松散的氧化渣使空氣更容易停留在熔融得釬料內(nèi)，更容易使焊縫產(chǎn)生孔洞。

圖8 Au-Sn釬焊后的孔洞

當使用熱吹風對微波腔體加熱時，一方面加熱區(qū)域不可控，造成鄰近絕緣子的釬料長時間處于融化狀態(tài)；另一方面加熱不均勻，造成腔體“內(nèi)冷外熱”，焊料更易在腔體表面大面積流布，導致絕緣子與安裝孔之間填隙焊料量減少，進而造成焊縫漏氣，如圖9所示。此外，流布的焊料造成元器件的裝配位置不平，影響后續(xù)裝配。

圖9 焊錫流布

02

提高絕緣子焊接成品率方法

由于微波腔體的正反面開腔結(jié)構(gòu)，熱臺的加熱效率低，而高溫吹風加熱則導致一定范圍內(nèi)的釬料融化時間過長和流布嚴重，進而造成絕緣子焊接的各型缺陷。針對以上原因，需要選擇整體控溫加熱的方法，提高絕緣子焊接成品率。

2.1 整體控溫設(shè)備選擇

整體控溫加熱方式通過調(diào)整溫度曲線，可縮短焊料融化時間，防止金脆和孔洞的產(chǎn)生。滿足整體加熱的方式主要有真空共晶爐、鏈式紅外共晶爐、鏈式熱風回流爐，各加熱方式的優(yōu)缺點見表3，通過綜合對比效率和適應性，鏈式熱風回流爐更適合微波腔體的絕緣子焊接。

表3 整體加熱方式對比表

鏈式熱風回流爐的爐膛結(jié)構(gòu)和加熱原理如圖10所示，目前已廣泛用于SMT。熱風回流爐不僅通過熱風對組件整體加熱，而且通過對各溫區(qū)的溫度設(shè)置和調(diào)整可獲得優(yōu)化的回流曲線。

圖10 熱風回流爐結(jié)構(gòu)及爐溫分布

 2.2 回流參數(shù)設(shè)置

為測試微波腔體在熱風回流爐中的溫度分布情況，將5根熱電偶分別置于某微波腔體的上面、下面、兩側(cè)與絕緣子孔內(nèi)并連接測溫儀，通過調(diào)整各溫區(qū)的溫度、風速、鏈速，獲得如圖11所示的回流曲線。從圖中可看出，腔體5個位置的溫度曲線基本重合，表明回流爐整體加熱效果理想；4 min內(nèi)，腔體的溫度整體上升到183 ℃以上，預熱時間短；該曲線高于183 ℃的回流時間為93 s，在推薦的回流時間范圍內(nèi)（60~120 s）；整體焊接時間為7.2 min (共5件)。因此，該曲線較為適合該腔體的焊接。

圖11 微波腔體各處溫度曲線

 2.3 回流效果檢查

采用圖11所示的回流曲線進行焊接，產(chǎn)品焊接外觀如圖12所示，焊料、助焊劑流布范圍較窄，焊接后助焊劑仍有部分殘留，焊點光亮。共焊接5件樣品，檢漏均通過，氣密性明顯提升。通過約500件微波腔體產(chǎn)品的焊后成品率和不合格現(xiàn)象統(tǒng)計，氣密性差數(shù)量明顯減少，成品率達到92.5%，即使用回流爐后，絕緣子焊接成品率得到較大提升。

圖12 熱風回流爐焊接樣件外觀

03

結(jié)論

通過對影響絕緣子釬焊成品率原因研究發(fā)現(xiàn)，熱臺與腔體接觸面積小導致微波腔體局部受熱，達不到釬料熔點；進行熱吹風輔熱時，導致釬料融化時間長與流布，最終導致絕緣子焊接氣密性差。使用熱風回流爐釬焊絕緣子可實現(xiàn)對產(chǎn)品整體均勻加熱，縮短釬料回流時間，焊接成品率達到92.5%。

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