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1、微波组件模块组装焊点及其可靠性摘要:介绍微波组件的应用及其组装焊接的重要性,提出组装焊接中焊点的特点,并对焊点失效进行详细机理分析,阐述机械应力和热应力对焊点失效的影响,在焊接工艺和焊点设计方面找到抗失效断裂的有效措施,从而保证焊点的质量,提高微波组件的可靠性。 关键词:微波组件;焊点;可靠性 引言 微波组件广泛应用于电视广播、卫星通信、中继通信、移动通信、雷达等众多领域。近几年来,随着相控阵雷达技术的发展,雷达领域大量应用微波组件。微波组件组装技术的发展是围绕提高质量与成品率、缩短生产周期、降低成本、提高生产效率和增强品种变换的适应能力进行的。微波组件组装技术有手工组装、流水线自动组装和计算
2、机集成自动化组装等三大类,目前,应用于雷达领域的微波组件基本以手工组装为主。在以采用手工焊接为主的微波组件组装生产过程中,组装故障占总故障的80%以上,组装故障的突出表现是焊点质量问题,它直接影响由模块组成的微波组件可靠性。高的焊接可靠性,高的焊点合格率是微波组件组装生产过程中刻意追求的目标,焊点的质量应包含两方面的内容:即焊点的设计和生产控制。焊点可靠性是微波组件的生命,对于航空航天产品,其重要性尤为突出。 一、模块组装的焊点特点微波组件内模块组装的焊点具有与传统集成电路焊点不同的特点: (1) 微波组件采用的元器件品种多,外形尺寸与重量分布范围广,结构精密,尺寸精度高,大多以小模块的形式出
3、现,不是标准的SMT焊点。 (2) 微波组件内不同的模块就有不同的连接方式,因此焊点的类型较多。 (3) 微波组件内的模块大多与高频印制板连接,而高频印制板不允许打焊接孔,焊接只能在印制板表面进行,焊点结合力较弱。 (4) 微波组件的电性能对寄生参数、尺寸与结构的偏差和不一致性较敏感,必须严格控制焊点。模块组装焊点的这些特点对提高其可靠性增加了设计与工艺的难度。 二、焊点失效分析 研究焊点失效的目的就是为焊接工艺和焊点的设计提供依据,从而提高焊点的可靠性。从微波组件服役过程中焊点失效可以发现:最先发生失效的焊点为模块引脚点,如图1所示为典型模块与高频印制板之间焊点开裂失效,这些模块都是非标准S
4、MT器件,而且这些模块都具有线性尺寸大,与壳体直接安装在一起的特点。 焊点在实际工作过程中的失效过程一般为:塑性变形裂纹萌生裂纹扩展失效。从焊点实际经历的环境条件来看,内部应力是焊点失效的根本原因,焊点应力由机械应力和交变热应力组成。 (1)交变热应力的产生主要是因为器件和安装壳体是由不同的材料组成,它们有不同的线膨胀系数,温度循环试验时由于温度的交变变化,器件和壳体的膨胀量随着温度发生变化,器件和壳体是无缓冲装置的硬性连接,焊接点不能自由伸缩,壳体和器件之间相互制约,在焊接点产生热应力,图2是模块安装简图。 小模块的热膨胀失配量为: L = (2 1 ) LT 其中,1 为器件的热膨胀系数;
5、2 为壳体的热膨胀系数; L 为器件的长度;T为温度变化范围。小模块壳体一般为不锈钢材料,其膨胀系数1 =0. 112 10- 4 /C, 壳体为铝合金, 其2 = 0. 238 10- 4 /C,二者热膨胀系数相差一倍多。温度变化范围T越大,失配量也越大,产生的热应力越大,温度变化不但要考虑环境温度的变化范围,而且器件和壳体的热容不同,导热率不同,换热系数的不同,使得在温度变化时,器件和壳体之间的温度变化速率不同,更加剧了热失配现象,增大热应力,另外温度的周期交变变化,使得热应力也相应作周期变化,焊接点在这种周期热应力的作用下导致断裂。 (2)微波组件中的电路介质板和小模块用螺栓固定在壳体上
6、,机械应力主要由以下几个方面产生。 a. 焊盘和小模块引脚在高度方向按SMT规范应为0. 050. 1 mm 出现如图3所示情况,小模块引脚低于或高于介质板焊盘平面时,装配时引脚变形会产生机械应力。 b. 焊接工艺不当,采用先焊后螺栓紧固的次序,在引脚处产生机械应力。 c. 装配虽然采用了先螺栓紧固后焊引脚的工艺,但若先装螺栓时,螺栓紧固力矩不足,焊后又进行了二次螺栓紧固操作,引脚处产生残余机械应力,螺栓的松动也会产生残余机械应力。 d. 加工误差造成壳体和小模块位的安装面为非理想平面,安装时产生弹性变形,在焊接点产生残余机械应力。 e. 在加速振动试验中,由于加速度的作用,使固定螺栓和壳体安
7、装面发生弹性变形,导致在焊接点产生机械应力,这种变形更大。由力学分析可知: L = km a 式中,L 为振动时加速度引起的弹性变形量; m 为小模块质量; a为振动机速度; k为常数(与螺栓的大小、强度有关的常数) 。由上式可见:小模块质量越大,振动机速度越大,这种变形更大,以上分析是把微波组件壳体安装面作为绝对刚体来考虑,当壳体安装面刚性不足时,弹性变形量更大,焊点处的应力更大。由于小模块线性尺寸大,比一般的SMT器件大12 个数量级,质量大和无缓冲装焊形式,在其焊接处产生更大的热应力和机械应力,热应力和机械应力的复合作用,焊脚处产生疲劳失效,导致断裂,这是小模块焊点断裂的主要原因。由力学
8、分析可知: L = km a三、焊点抗失效断裂的方法焊接点周期热应力、机械应力导致焊接点产生疲劳断裂,而焊接点抗疲劳断裂的性能不但与周期应力大小有关,还与焊点本身的性质(如焊接材料、接点结构形式、焊接表面特性、焊接工艺)等有关。 1. 提高安装面的结构刚性、平面度模块质量大,振动惯量大,如果安装基面的刚性差、平面度差,固定不可靠,安装时易产生机械应力;在振动过程中易产生弹性变形,在焊点产生周期应力,又由于焊点与微带线的结合力强于微带线与基板的附着力,微带线被撕裂。 2. 完善小模块装焊次序小模块装焊次序对焊接点应力有重要影响,严禁采用先焊引脚后螺栓紧固的工艺。利用力矩起子,对小模块进行恒力矩装
9、配,提高各小模块的连接可靠性。3. 焊接工艺参数规范化、稳定化焊接工艺对焊点的质量也起到重要作用。主要包括焊料成分、印刷焊料量、焊接温度、焊接时间、焊接面的表面处理方法等方面。焊点质量除了与上述条件相关外,焊接面的洁净度也相当重要,焊好以后要有良好的防氧化存储保存环境,可以采用氮气保护除湿箱或真空封存,确保焊接点的质量。 4. 规范焊点设计 (1)严格控制焊盘和引脚高度方向间隙尺寸,最好控制在0. 1 mm左右; (2)焊盘尺寸大于引脚尺寸,一般单边大0. 2 mm左右; (3)为了减少热应力和机械应力的影响,在不影响电性能的前提下,对各小模块引脚与焊盘之间增加缓冲环节。 四、结论通过对微波组件模块组装焊接工艺和设计的分析改进,使微波组件的环境适应能力和可靠性有了较大的改善,从而满足了整个系统可靠性要求。该设计方法及工艺技术对其它类型焊点的研究有一定的借鉴作用。
