微波組件是利用各種微波元器件(至少有一個是有源的)和電路元件、微波電路、電源以及控制電路組裝而成的產品,在分系統中具備獨立完整功能的電路集成組合,可實現對微波信號的綜合處理功能。微波技術誕生于一二戰之間,隨后百年保持了快速發展,隨著科學技術的不斷進步,微波組件逐漸被廣泛地應用在各種領域中,如航空航天技術、通信技術、電視廣播、雷達等。
注:如果電子元器件工作時,內部有電源存在,則這種器件叫做有源器件。從電路性質上看,有源器件有兩個基本特點:自身也消耗電能;除輸入信號外,還必須要有外加電源才可以正常工作。關于有源/無源的電子元器件在這里不做過多探討。
圖1.微波組件示意圖微波組件模塊的組裝是微波產業生產中最重要的一個環節,組裝的主要方式就是焊接。微波組件的故障有滯后性和隱蔽性,而且由于機理復雜,一旦失效會引起不小的經濟損失,因此保證微波組件的一致性和穩定性是焊接工藝的關鍵。
微波組件的焊接工藝要求非常高,其中元器件的種類繁多,結構和尺寸也相對較小,大多數是小模塊之間的聯焊接,組裝方式多,焊接的工藝也不盡相同,造成的焊點的種類也多,如:底板和載體之間的連接,芯片安裝、引線鍵合以及密封等。而且組件模塊主要焊接在高頻印制板上,這種板上面不允許打孔,只能在表面進行焊接,因此焊點也會更弱。
圖2.高頻印制板示意圖微波組件焊點的可靠性也是表面組裝技術中關鍵問題之一,一般用失效的頻率來反應焊點的可靠性。焊點的失效一般發生在兩個階段,一是生產過程中焊接造成的失效,另一個是在使用過程中,由于環境溫度變化造成的失效。
(1)焊點內部結構的影響
焊接的焊料一般選擇鉛錫共晶焊料(PbSn),鉛錫共晶焊料的性質可參考《真空回流焊的焊料選擇之鉛錫共晶焊料》。焊接后的焊接點分為鉛區和錫區,溫度發生變化時可能會發生形變,焊點沿著鉛-錫區的界線斷裂。
(2)焊接點空洞的影響
微波組件焊接過程中,由于焊接的工藝問題,會使焊點中產生空洞。有空洞的焊點在微波組件工作時產生集中應力,并改變應力的作用方式,大大降低了微波組件的使用壽命。
(3)材料熱膨脹系數的影響
材料的熱膨脹系數是焊點產生應變的主要原因。微波組件由許多種材料組成,元器件、安裝底板、外殼這幾個部分因為溫度的原因發生膨脹,由于熱膨脹系數不同,產生的膨脹量也不同,這必然會導致產生熱應力。應力的大小隨溫度和時間的變化而不同,熱變形不同步就會造成焊點產生應變,造成焊點失效。
(4)金屬化合物生長的影響
在焊接的過程中,當熔融的焊料與引線等混合融化時,會在化學反應的作用下產生金屬化合物。隨著焊接溫度和時間的增加,以及在后期的保存、使用過程中,金屬化合物會不斷堆積。堆積的金屬化合物會使焊點的硬度和抗疲勞強度降低;此外,由于金屬化合物的硬度比較高,脆性也大,在應力作用下與焊料的形變不協同,會使得焊點周圍產生裂痕。
通過以上的分析,我們搞清了會造成焊點失效的原因,那么如何提高焊點可靠性呢?
(1)提升微波組件安裝底板的平面度
微波組件中元器件比較多,需全部焊接在底板上面,在底板平面度較差的情況下,底板的震動會使焊點周邊產生應力,造成焊點的失效,嚴重的話還會使以及焊在底板上的電線脫落,因此需要安裝底板的平面度和剛度保持好的水平。
(2)合理制定微波組件的焊接工藝流程
元器件的焊接過程中,對小模塊裝焊次序進行合理的安排對于焊點的應力有重要的影響,需要嚴格遵守先恒力矩緊固螺栓再進行焊接的流程,這樣才能提高微波組件焊點的可靠性
(3)根據電線選擇焊點的大小
焊點的大小包括焊接的引腳高度、焊接盤尺寸等。焊接盤和焊接引線高度的間隙最好控制在0.1mm左右,且焊接盤必須大于焊接引腳高度,單邊大小控制在0.2mm左右。
(4)穩定、高質量的焊接工藝
焊接工藝和水平對于焊點的質量起到至關重要的作用。這其中包含了焊接釬料的選擇、焊料的使用量、溫度的設置、焊接時長、焊接時的表面處理方式等,同時還應考慮焊爐的性能參數,其中包括溫控精度、冷卻溫度沖擊等。運用成都共益緣真空設備有限公司持有的“正負壓”焊接工藝專利,可使焊點的的空洞率≤1%;氮氣真空爐/甲酸真空爐良好的氣密性,為焊接提供防氧化的環境,更有利于焊點的保存。
綜上所述,微波組件模塊的組裝是生產過程中最重要的一個環節,它直接關系到了微波組件的質量性能和使用壽命。微波組件失效的原因除了本身存在的缺陷外,使用過程中也可能會造成。而且微波組件的失效具有滯后性和隱蔽性,由于機理復雜,一旦失效會引起不小的經濟損失,因此需極力保證微波組件焊接的可靠性。關于微波組件模塊的組裝的介紹就到這里,若有不當之處歡迎各位朋友予以指正和指教;若與其他原創內容有雷同之處,請與我們聯系,我們將及時處理。我司的真空回流焊/真空共晶爐可滿足微波組件焊接的要求,如您感興趣,可與我們聯系共同討論,或前往我司官網了解。
圖4.客戶的微波器件焊接圖5.焊接后的空洞率檢測成都共益緣真空設備有限公司
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