微波組件模塊組裝焊點與可靠性

1、微波組件模模塊組裝裝焊點及及其可靠靠性摘要:介紹紹微波組組件的應(yīng)應(yīng)用及其其組裝焊焊接的重重要性,提出組組裝焊接接中焊點點的特點點,并對對焊點失失效進(jìn)行行詳細(xì)機(jī)機(jī)理分析析,闡述述機(jī)械應(yīng)應(yīng)力和熱熱應(yīng)力對對焊點失失效的影影響,在在焊接工工藝和焊焊點設(shè)計計方面找找到抗失失效斷裂裂的有效效措施,從而保保證焊點點的質(zhì)量量,提高高微波組組件的可可靠性。 關(guān)鍵詞詞:微波波組件;焊點;可靠性性 引言言 微波波組件廣廣泛應(yīng)用用于電視視廣播、衛(wèi)衛(wèi)星通信信、中繼繼通信、移移動通信信、雷達(dá)達(dá)等眾多多領(lǐng)域。近近幾年來來,隨著著相控陣陣?yán)走_(dá)技技術(shù)的發(fā)發(fā)展,雷雷達(dá)領(lǐng)域域大量應(yīng)應(yīng)用微波波組件。微微波組件件組裝技技術(shù)的發(fā)發(fā)展是圍

2、圍繞提高高質(zhì)量與與成品率率、縮短短生產(chǎn)周周期、降降低成本本、提高高生產(chǎn)效效率和增增強(qiáng)品種種變換的的適應(yīng)能能力進(jìn)行行的。微微波組件件組裝技技術(shù)有手手工組裝裝、流水水線自動動組裝和和計算機(jī)機(jī)集成自自動化組組裝等三三大類,目前,應(yīng)用于于雷達(dá)領(lǐng)領(lǐng)域的微微波組件件基本以以手工組組裝為主主。在以采采用手工工焊接為為主的微微波組件件組裝生生產(chǎn)過程程中,組組裝故障障占總故故障的880%以以上,組組裝故障障的突出出表現(xiàn)是是焊點質(zhì)質(zhì)量問題題,它直直接影響響由模塊塊組成的的微波組組件可靠靠性。高高的焊接接可靠性性,高的的焊點合合格率是是微波組組件組裝裝生產(chǎn)過過程中刻刻意追求求的目標(biāo)標(biāo),焊點點的質(zhì)量量應(yīng)包含含兩方面面

3、的內(nèi)容容:即焊焊點的設(shè)設(shè)計和生生產(chǎn)控制制。焊點點可靠性性是微波波組件的的生命,對于航航空航天天產(chǎn)品,其重要要性尤為為突出。 一、模模塊組裝裝的焊點點特點微波波組件內(nèi)內(nèi)模塊組組裝的焊焊點具有有與傳統(tǒng)統(tǒng)集成電電路焊點點不同的的特點: (1) 微波波組件采采用的元元器件品品種多,外形尺尺寸與重重量分布布范圍廣廣,結(jié)構(gòu)構(gòu)精密,尺寸精精度高,大多以以小模塊塊的形式式出現(xiàn),不是標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的SSMT焊焊點。 (2) 微波組組件內(nèi)不不同的模模塊就有有不同的的連接方方式,因因此焊點點的類型型較多。 (3) 微波組組件內(nèi)的的模塊大大多與高高頻印制制板連接接,而高高頻印制制板不允允許打焊焊接孔,焊接只只能在印印制板表表

4、面進(jìn)行行,焊點點結(jié)合力力較弱。 (4) 微波組組件的電電性能對對寄生參參數(shù)、尺尺寸與結(jié)結(jié)構(gòu)的偏偏差和不不一致性性較敏感感,必須須嚴(yán)格控控制焊點點。模塊組組裝焊點點的這些些特點對對提高其其可靠性性增加了了設(shè)計與與工藝的的難度。 二、焊焊點失效效分析 研究究焊點失失效的目目的就是是為焊接接工藝和和焊點的的設(shè)計提提供依據(jù)據(jù),從而而提高焊焊點的可可靠性。從從微波組組件服役役過程中中焊點失失效可以以發(fā)現(xiàn):最先發(fā)發(fā)生失效效的焊點點為模塊塊引腳點點,如圖圖1所示示為典型型模塊與與高頻印印制板之之間焊點點開裂失失效,這這些模塊塊都是非非標(biāo)準(zhǔn)SSMT器器件,而而且這些些模塊都都具有線線性尺寸寸大,與與殼體直直接

5、安裝裝在一起起的特點點。 焊焊點在實實際工作作過程中中的失效效過程一一般為:塑性變變形裂裂紋萌生生裂紋紋擴(kuò)展失效。從從焊點實實際經(jīng)歷歷的環(huán)境境條件來來看,內(nèi)內(nèi)部應(yīng)力力是焊點點失效的的根本原原因,焊焊點應(yīng)力力由機(jī)械械應(yīng)力和和交變熱熱應(yīng)力組組成。 (1)交交變熱應(yīng)應(yīng)力的產(chǎn)產(chǎn)生主要要是因為為器件和和安裝殼殼體是由由不同的的材料組組成,它它們有不不同的線線膨脹系系數(shù),溫溫度循環(huán)環(huán)試驗時時由于溫溫度的交交變變化化,器件件和殼體體的膨脹脹量隨著著溫度發(fā)發(fā)生變化化,器件件和殼體體是無緩緩沖裝置置的硬性性連接,焊接點點不能自自由伸縮縮,殼體體和器件件之間相相互制約約,在焊焊接點產(chǎn)產(chǎn)生熱應(yīng)應(yīng)力,圖圖2是模模塊安

6、裝裝簡圖。 小模塊塊的熱膨膨脹失配配量為: L = (2 11 ) LTT 其中中,11 為器器件的熱熱膨脹系系數(shù);2 為為殼體的的熱膨脹脹系數(shù); L 為器件件的長度度;TT為溫度度變化范范圍。小小模塊殼殼體一般般為不銹銹鋼材料料,其膨膨脹系數(shù)數(shù)1 =0. 1112 10- 4 /C, 殼殼體為鋁鋁合金, 其2 = 0. 2338 10- 4 /C,二者者熱膨脹脹系數(shù)相相差一倍倍多。溫溫度變化化范圍T越大大,失配配量也越越大,產(chǎn)產(chǎn)生的熱熱應(yīng)力越越大,溫溫度變化化不但要要考慮環(huán)環(huán)境溫度度的變化化范圍,而且器器件和殼殼體的熱熱容不同同,導(dǎo)熱熱率不同同,換熱熱系數(shù)的的不同,使得在在溫度變變化時,器件

7、和和殼體之之間的溫溫度變化化速率不不同,更更加劇了了熱失配配現(xiàn)象,增大熱熱應(yīng)力,另外溫溫度的周周期交變變變化,使得熱熱應(yīng)力也也相應(yīng)作作周期變變化,焊焊接點在在這種周周期熱應(yīng)應(yīng)力的作作用下導(dǎo)導(dǎo)致斷裂裂。 (22)微波波組件中中的電路路介質(zhì)板板和小模模塊用螺螺栓固定定在殼體體上,機(jī)機(jī)械應(yīng)力力主要由由以下幾幾個方面面產(chǎn)生。 aa. 焊焊盤和小小模塊引引腳在高高度方向向按SMMT規(guī)范范應(yīng)為00. 00500. 11 mmm 出現(xiàn)現(xiàn)如圖33所示情情況,小小模塊引引腳低于于或高于于介質(zhì)板板焊盤平平面時,裝配時時引腳變變形會產(chǎn)產(chǎn)生機(jī)械械應(yīng)力。 b. 焊接工工藝不當(dāng)當(dāng),采用用先焊后后螺栓緊緊固的次次序,在在引

8、腳處處產(chǎn)生機(jī)機(jī)械應(yīng)力力。 c. 裝配配雖然采采用了先先螺栓緊緊固后焊焊引腳的的工藝,但若先先裝螺栓栓時,螺螺栓緊固固力矩不不足,焊焊后又進(jìn)進(jìn)行了二二次螺栓栓緊固操操作,引引腳處產(chǎn)產(chǎn)生殘余余機(jī)械應(yīng)應(yīng)力,螺螺栓的松松動也會會產(chǎn)生殘殘余機(jī)械械應(yīng)力。 dd. 加加工誤差差造成殼殼體和小小模塊位位的安裝裝面為非非理想平平面,安安裝時產(chǎn)產(chǎn)生彈性性變形,在焊接接點產(chǎn)生生殘余機(jī)機(jī)械應(yīng)力力。 e. 在加加速振動動試驗中中,由于于加速度度的作用用,使固固定螺栓栓和殼體體安裝面面發(fā)生彈彈性變形形,導(dǎo)致致在焊接接點產(chǎn)生生機(jī)械應(yīng)應(yīng)力,這這種變形形更大。由力力學(xué)分析析可知: LL = km a 式式中,L 為為振動時時加

9、速度度引起的的彈性變變形量; m 為小模模塊質(zhì)量量; aa為振動動機(jī)速度度; kk為常數(shù)數(shù)(與螺螺栓的大大小、強(qiáng)強(qiáng)度有關(guān)關(guān)的常數(shù)數(shù)) 。由由上式可可見:小小模塊質(zhì)質(zhì)量越大大,振動動機(jī)速度度越大,這種變變形更大大,以上上分析是是把微波波組件殼殼體安裝裝面作為為絕對剛剛體來考考慮,當(dāng)當(dāng)殼體安安裝面剛剛性不足足時,彈彈性變形形量更大大,焊點點處的應(yīng)應(yīng)力更大大。由于小小模塊線線性尺寸寸大,比比一般的的SMTT器件大大122 個數(shù)數(shù)量級,質(zhì)量大大和無緩緩沖裝焊焊形式,在其焊焊接處產(chǎn)產(chǎn)生更大大的熱應(yīng)應(yīng)力和機(jī)機(jī)械應(yīng)力力,熱應(yīng)應(yīng)力和機(jī)機(jī)械應(yīng)力力的復(fù)合合作用,焊腳處處產(chǎn)生疲疲勞失效效,導(dǎo)致致斷裂,這是小小模塊焊

10、焊點斷裂裂的主要要原因。由由力學(xué)分分析可知知: L = kkm aa三、焊焊點抗失失效斷裂裂的方法法焊焊接點周周期熱應(yīng)應(yīng)力、機(jī)機(jī)械應(yīng)力力導(dǎo)致焊焊接點產(chǎn)產(chǎn)生疲勞勞斷裂,而焊接接點抗疲疲勞斷裂裂的性能能不但與與周期應(yīng)應(yīng)力大小小有關(guān),還與焊焊點本身身的性質(zhì)質(zhì)(如焊焊接材料料、接點點結(jié)構(gòu)形形式、焊焊接表面面特性、焊焊接工藝藝)等有有關(guān)。 11. 提提高安裝裝面的結(jié)結(jié)構(gòu)剛性性、平面面度模塊塊質(zhì)量大大,振動動慣量大大,如果果安裝基基面的剛剛性差、平平面度差差,固定定不可靠靠,安裝裝時易產(chǎn)產(chǎn)生機(jī)械械應(yīng)力;在振動動過程中中易產(chǎn)生生彈性變變形,在在焊點產(chǎn)產(chǎn)生周期期應(yīng)力,又由于于焊點與與微帶線線的結(jié)合合力強(qiáng)于于微

11、帶線線與基板板的附著著力,微微帶線被被撕裂。 22. 完完善小模模塊裝焊焊次序小小模塊裝裝焊次序序?qū)附咏狱c應(yīng)力力有重要要影響,嚴(yán)禁采采用先焊焊引腳后后螺栓緊緊固的工工藝。利利用力矩矩起子,對小模模塊進(jìn)行行恒力矩矩裝配,提高各各小模塊塊的連接接可靠性性。3. 焊接工工藝參數(shù)數(shù)規(guī)范化化、穩(wěn)定定化焊接接工藝對對焊點的的質(zhì)量也也起到重重要作用用。主要要包括焊焊料成分分、印刷刷焊料量量、焊接接溫度、焊焊接時間間、焊接接面的表表面處理理方法等等方面。焊焊點質(zhì)量量除了與與上述條條件相關(guān)關(guān)外,焊焊接面的的潔凈度度也相當(dāng)當(dāng)重要,焊好以以后要有有良好的的防氧化化存儲保保存環(huán)境境,可以以采用氮氮氣保護(hù)護(hù)除濕箱箱或真空空封存,確保焊焊接點的的質(zhì)量。 4. 規(guī)范焊焊點設(shè)計計 (11)嚴(yán)格格控制焊焊盤和引引腳高度度方向間間隙尺寸寸,最好好控制在在0. 1 mmm左右右; (22)焊盤盤尺寸大大于引腳腳尺寸,一般單單邊大00. 22 mmm左右; (3)為了減減少熱應(yīng)應(yīng)力和機(jī)機(jī)