提高绝缘子焊接成品率的方法

提高绝缘子焊接成品率的方法

转自：高速射频百花潭；来源：电子工艺技术；作者：高明起，苏伟，张亚刚，董东，刘英

微波组件中绝缘子焊接时，要求具有高的气密性、良好的接地钎透性，而传统热台与热吹风共同作用钎焊绝缘子的方法成品率低。研究发现，热台与腔体接触面积小会导致微波腔体局部受热，达不到钎料熔点；进行热吹风辅热时，钎料融化时间长且流布严重。使用热风回流炉钎焊绝缘子可实现对产品整体均匀加热，缩短钎料回流时间，焊接成品率达到92.5%。

微波组件作为航空航天等领域的重要电子设备组件，向着高可靠性、高集成度、高气密性的趋势发展。微波组件中一般包含多个作为信号输入与输出端口的玻璃绝缘子（如图1所示），其中高频绝缘子起到微波信号的传输通道的作用，低频绝缘子起到馈电端口的功能。微组装时，对绝缘子提出了气密性、接地钎透性等要求，即：通过壳体与连接器构成的气密封装，使内部电路与外部环境隔绝，尤其是在包含了大量裸芯片的微波电路中，必须保护电路免受外界恶劣环境的影响；接地效果上要求钎透率高，以保证较小的插入损耗和电压驻波比。

图1 钎焊后的绝缘子

为了达到上述理想的装配效果，微波组件上的绝缘子电连接器大量采用钎焊技术进行装配，即通过合适的焊料完全密封连接器和工件装配孔之间的间隙。目前，大部分微波组件绝缘子的钎焊均为预置锡铅焊环+手工热台焊接的方式（如图2所示）。由于操作者的熟练度和经验的不同导致绝缘子焊接的可靠性、一致性和外观存在巨大差异，易出现绝缘子短路、歪斜、气密性差等缺陷。

图2 手工焊接绝缘子

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影响绝缘子钎焊成品率的因素

手工热台钎焊绝缘子一次焊接成品率只有75%，易出现绝缘子气密性差、短路、歪斜、空洞等缺陷，如图3所示，不合格类型占比见表1。以上故障绝缘子的返修耗时长、成功率低，为提高焊接成品率，本文对相关影响因素进行如下分析。

图3 绝缘子焊接缺陷

表1 不合格类型占比

 1.1 热台与腔体接触面积小

手工热台钎焊绝缘子时，需先将微波腔体置于热台上进行预热，再进行热吹风辅热。如图4所示，将热台温度设置为180 ℃，测量大、中、小三种微波腔体与热台的接触面积占比、腔体的实际温度，结果见表2。大、中、小三种腔体与热台的接触面积占比分别为6.5%、4.0%、10.5%。由于微波腔体多为正反面开腔结构，在热台上预热时只有很窄的侧壁与热台接触，因此热量主要通过辐射而非传导的方式对腔体加热，导致腔体的最高温度均低于180 ℃，无法达到钎料的熔点，需要额外的热吹风辅助加热。

图4 大、中、小三种典型腔体

表2 腔体与热台接触面积占比

 1.2 热吹风局部加热方式不当

为测量腔体在热吹风下的实际温度，根据实际焊接流程，如图5所示，将某微波腔体置于170 ℃热台，将测温仪热电偶压于腔体上表面的位置1处，测试曲线如图6所示。每10 s读取一次温度数据。加热360 s后上表面温度升至117.5 ℃，开始使用400 ℃热吹风局部加热，70 s后当前绝缘子表面的预置焊料熔化，热吹风开始吹相邻的下一处绝缘子，此时测温热电偶继续测温和读数，直到热吹风移动至位置2（与位置1的距离R为6 cm），测温热电偶读数为179 ℃，基本可以判断位置1焊料此时已开始凝固。通过温度测试可知，位置1处绝缘子熔化后，吹风在对距离其6 cm范围内的其余绝缘子加热时，该处绝缘子焊料几乎一直处于熔化状态，如图7所示。以某微波腔体为例，位置1处6 cm范围内约有48颗绝缘子，单颗加热时间以10 s计算，该处绝缘子处于熔化阶段的时间将可能达到480 s。

图5 热台和吹风焊接测温示意图

图6 热台和热吹风加热的温度测试曲线

图7 样件加热融化范围

对于镀金腔体，由于锡铅焊料中的锡与金之间会形成大量金属间化合物，存在“金脆问题”，容易在焊缝形成大量孔洞，如图8所示。因此，焊料长时间熔化后极易导致焊缝变脆并产生大量孔洞，导致气密性难以满足。对于镀镍腔体，长时间加热导致助焊剂挥发失去活性，暴露在空气中的锡铅焊料易被氧化，影响钎料的流动性，导致钎料的填隙能力下降，另外松散的氧化渣使空气更容易停留在熔融得钎料内，更容易使焊缝产生孔洞。

图8 Au-Sn钎焊后的孔洞

当使用热吹风对微波腔体加热时，一方面加热区域不可控，造成邻近绝缘子的钎料长时间处于融化状态；另一方面加热不均匀，造成腔体“内冷外热”，焊料更易在腔体表面大面积流布，导致绝缘子与安装孔之间填隙焊料量减少，进而造成焊缝漏气，如图9所示。此外，流布的焊料造成元器件的装配位置不平，影响后续装配。

图9 焊锡流布

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提高绝缘子焊接成品率方法

由于微波腔体的正反面开腔结构，热台的加热效率低，而高温吹风加热则导致一定范围内的钎料融化时间过长和流布严重，进而造成绝缘子焊接的各型缺陷。针对以上原因，需要选择整体控温加热的方法，提高绝缘子焊接成品率。

2.1 整体控温设备选择

整体控温加热方式通过调整温度曲线，可缩短焊料融化时间，防止金脆和孔洞的产生。满足整体加热的方式主要有真空共晶炉、链式红外共晶炉、链式热风回流炉，各加热方式的优缺点见表3，通过综合对比效率和适应性，链式热风回流炉更适合微波腔体的绝缘子焊接。

表3 整体加热方式对比表

链式热风回流炉的炉膛结构和加热原理如图10所示，目前已广泛用于SMT。热风回流炉不仅通过热风对组件整体加热，而且通过对各温区的温度设置和调整可获得优化的回流曲线。

图10 热风回流炉结构及炉温分布

 2.2 回流参数设置

为测试微波腔体在热风回流炉中的温度分布情况，将5根热电偶分别置于某微波腔体的上面、下面、两侧与绝缘子孔内并连接测温仪，通过调整各温区的温度、风速、链速，获得如图11所示的回流曲线。从图中可看出，腔体5个位置的温度曲线基本重合，表明回流炉整体加热效果理想；4 min内，腔体的温度整体上升到183 ℃以上，预热时间短；该曲线高于183 ℃的回流时间为93 s，在推荐的回流时间范围内（60~120 s）；整体焊接时间为7.2 min (共5件)。因此，该曲线较为适合该腔体的焊接。

图11 微波腔体各处温度曲线

 2.3 回流效果检查

采用图11所示的回流曲线进行焊接，产品焊接外观如图12所示，焊料、助焊剂流布范围较窄，焊接后助焊剂仍有部分残留，焊点光亮。共焊接5件样品，检漏均通过，气密性明显提升。通过约500件微波腔体产品的焊后成品率和不合格现象统计，气密性差数量明显减少，成品率达到92.5%，即使用回流炉后，绝缘子焊接成品率得到较大提升。

图12 热风回流炉焊接样件外观

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结论

通过对影响绝缘子钎焊成品率原因研究发现，热台与腔体接触面积小导致微波腔体局部受热，达不到钎料熔点；进行热吹风辅热时，导致钎料融化时间长与流布，最终导致绝缘子焊接气密性差。使用热风回流炉钎焊绝缘子可实现对产品整体均匀加热，缩短钎料回流时间，焊接成品率达到92.5%。

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