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。
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。
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