微波组件模块组装焊点及其可靠性

作者：电子科技集团14所 吴迤 钟剑锋 张德明

欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 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SMT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： ΔL = (α2 —α1 ) LΔT 其中，α1 为器件的热膨胀系数；α2 为壳体的热膨胀系数； L 为器件的长度；ΔT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α1 =0. 112 ×10- 4 /C°， 壳体为铝合金， 其α2 = 0. 238 ×10- 4 /C°，二者热膨胀系数相差一倍多。温度变化范围ΔT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，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. 05～0. 1 mm ，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： ΔL = km a 式中，ΔL 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1～2 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。 由力学分析可知： ΔL = 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Ω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。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/24/2006)