微波组件模块组装焊点与可靠性

1、微波组件件模块组组装焊点点及其可可靠性摘要:介介绍微波波组件的的应用及及其组装装焊接的的重要性性,提出出组装焊焊接中焊焊点的特特点,并并对焊点点失效进进行详细细机理分分析,阐阐述机械械应力和和热应力力对焊点点失效的的影响,在焊接接工艺和和焊点设设计方面面找到抗抗失效断断裂的有有效措施施,从而而保证焊焊点的质质量,提提高微波波组件的的可靠性性。 关关键词:微波组组件;焊焊点;可可靠性 引言 微微波组件件广泛应应用于电电视广播播、卫星星通信、中继通通信、移移动通信信、雷达达等众多多领域。近几年年来,随随着相控控阵雷达达技术的的发展,雷达领领域大量量应用微微波组件件。微波波组件组组装技术术的发展展是

2、围绕绕提高质质量与成成品率、缩短生生产周期期、降低低成本、提高生生产效率率和增强强品种变变换的适适应能力力进行的的。微波波组件组组装技术术有手工工组装、流水线线自动组组装和计计算机集集成自动动化组装装等三大大类,目目前,应应用于雷雷达领域域的微波波组件基基本以手手工组装装为主。在在以采用用手工焊焊接为主主的微波波组件组组装生产产过程中中,组装装故障占占总故障障的800%以上上,组装装故障的的突出表表现是焊焊点质量量问题,它直接接影响由由模块组组成的微微波组件件可靠性性。高的的焊接可可靠性,高的焊焊点合格格率是微微波组件件组装生生产过程程中刻意意追求的的目标,焊点的的质量应应包含两两方面的的内容

3、:即焊点点的设计计和生产产控制。焊点可可靠性是是微波组组件的生生命,对对于航空空航天产产品,其其重要性性尤为突突出。 一、模模块组装装的焊点点特点微波波组件内内模块组组装的焊焊点具有有与传统统集成电电路焊点点不同的的特点: (1) 微波波组件采采用的元元器件品品种多,外形尺尺寸与重重量分布布范围广广,结构构精密,尺寸精精度高,大多以以小模块块的形式式出现,不是标标准的SSMT焊焊点。 (2) 微波组组件内不不同的模模块就有有不同的的连接方方式,因因此焊点点的类型型较多。 (3) 微波波组件内内的模块块大多与与高频印印制板连连接,而而高频印印制板不不允许打打焊接孔孔,焊接接只能在在印制板板表面进

4、进行,焊焊点结合合力较弱弱。 (44) 微微波组件件的电性性能对寄寄生参数数、尺寸寸与结构构的偏差差和不一一致性较较敏感,必须严严格控制制焊点。模模块组装装焊点的的这些特特点对提提高其可可靠性增增加了设设计与工工艺的难难度。 二、焊焊点失效效分析 研究究焊点失失效的目目的就是是为焊接接工艺和和焊点的的设计提提供依据据,从而而提高焊焊点的可可靠性。从微波波组件服服役过程程中焊点点失效可可以发现现:最先先发生失失效的焊焊点为模模块引脚脚点,如如图1所所示为典典型模块块与高频频印制板板之间焊焊点开裂裂失效,这些模模块都是是非标准准SMTT器件,而且这这些模块块都具有有线性尺尺寸大,与壳体体直接安安装

5、在一一起的特特点。 焊点在在实际工工作过程程中的失失效过程程一般为为:塑性性变形裂纹萌萌生裂裂纹扩展展失效效。从焊焊点实际际经历的的环境条条件来看看,内部部应力是是焊点失失效的根根本原因因,焊点点应力由由机械应应力和交交变热应应力组成成。 (11)交变变热应力力的产生生主要是是因为器器件和安安装壳体体是由不不同的材材料组成成,它们们有不同同的线膨膨胀系数数,温度度循环试试验时由由于温度度的交变变变化,器件和和壳体的的膨胀量量随着温温度发生生变化,器件和和壳体是是无缓冲冲装置的的硬性连连接,焊焊接点不不能自由由伸缩,壳体和和器件之之间相互互制约,在焊接接点产生生热应力力,图22是模块块安装简简图

6、。 小模块块的热膨膨胀失配配量为: L = (2 11 ) LTT 其中中,11 为器器件的热热膨胀系系数;2 为为壳体的的热膨胀胀系数; L 为器件件的长度度;TT为温度度变化范范围。小小模块壳壳体一般般为不锈锈钢材料料,其膨膨胀系数数1 =0. 1112 10- 4 /C, 壳壳体为铝铝合金, 其2 = 0. 2338 10- 4 /C,二者者热膨胀胀系数相相差一倍倍多。温温度变化化范围T越大大,失配配量也越越大,产产生的热热应力越越大,温温度变化化不但要要考虑环环境温度度的变化化范围,而且器器件和壳壳体的热热容不同同,导热热率不同同,换热热系数的的不同,使得在在温度变变化时,器件和和壳体

7、之之间的温温度变化化速率不不同,更更加剧了了热失配配现象,增大热热应力,另外温温度的周周期交变变变化,使得热热应力也也相应作作周期变变化,焊焊接点在在这种周周期热应应力的作作用下导导致断裂裂。 (22)微波波组件中中的电路路介质板板和小模模块用螺螺栓固定定在壳体体上,机机械应力力主要由由以下几几个方面面产生。 a. 焊盘和和小模块块引脚在在高度方方向按SSMT规规范应为为0. 050. 1 mmm 出出现如图图3所示示情况,小模块块引脚低低于或高高于介质质板焊盘盘平面时时,装配配时引脚脚变形会会产生机机械应力力。 bb. 焊焊接工艺艺不当,采用先先焊后螺螺栓紧固固的次序序,在引引脚处产产生机械

8、械应力。 c. 装配虽虽然采用用了先螺螺栓紧固固后焊引引脚的工工艺,但但若先装装螺栓时时,螺栓栓紧固力力矩不足足,焊后后又进行行了二次次螺栓紧紧固操作作,引脚脚处产生生残余机机械应力力,螺栓栓的松动动也会产产生残余余机械应应力。 dd. 加加工误差差造成壳壳体和小小模块位位的安装装面为非非理想平平面,安安装时产产生弹性性变形,在焊接接点产生生残余机机械应力力。 e. 在加加速振动动试验中中,由于于加速度度的作用用,使固固定螺栓栓和壳体体安装面面发生弹弹性变形形,导致致在焊接接点产生生机械应应力,这这种变形形更大。由由力学分分析可知知: L = kmm a 式中,L 为振动动时加速速度引起起的弹

9、性性变形量量; mm 为小小模块质质量; a为振振动机速速度; k为常常数(与与螺栓的的大小、强度有有关的常常数) 。由上上式可见见:小模模块质量量越大,振动机机速度越越大,这这种变形形更大,以上分分析是把把微波组组件壳体体安装面面作为绝绝对刚体体来考虑虑,当壳壳体安装装面刚性性不足时时,弹性性变形量量更大,焊点处处的应力力更大。由由于小模模块线性性尺寸大大,比一一般的SSMT器器件大112 个数量量级,质质量大和和无缓冲冲装焊形形式,在在其焊接接处产生生更大的的热应力力和机械械应力,热应力力和机械械应力的的复合作作用,焊焊脚处产产生疲劳劳失效,导致断断裂,这这是小模模块焊点点断裂的的主要原原

10、因。由由力学分分析可知知: L = kkm aa三、焊点抗抗失效断断裂的方方法焊接点点周期热热应力、机械应应力导致致焊接点点产生疲疲劳断裂裂,而焊焊接点抗抗疲劳断断裂的性性能不但但与周期期应力大大小有关关,还与与焊点本本身的性性质(如如焊接材材料、接接点结构构形式、焊接表表面特性性、焊接接工艺)等有关关。 1. 提高高安装面面的结构构刚性、平面度度模块质质量大,振动惯惯量大,如果安安装基面面的刚性性差、平平面度差差,固定定不可靠靠,安装装时易产产生机械械应力;在振动动过程中中易产生生弹性变变形,在在焊点产产生周期期应力,又由于于焊点与与微带线线的结合合力强于于微带线线与基板板的附着着力,微微带

11、线被被撕裂。 2. 完善小小模块装装焊次序序小模块块装焊次次序对焊焊接点应应力有重重要影响响,严禁禁采用先先焊引脚脚后螺栓栓紧固的的工艺。利用力力矩起子子,对小小模块进进行恒力力矩装配配,提高高各小模模块的连连接可靠靠性。3. 焊接接工艺参参数规范范化、稳稳定化焊焊接工艺艺对焊点点的质量量也起到到重要作作用。主主要包括括焊料成成分、印印刷焊料料量、焊焊接温度度、焊接接时间、焊接面面的表面面处理方方法等方方面。焊焊点质量量除了与与上述条条件相关关外,焊焊接面的的洁净度度也相当当重要,焊好以以后要有有良好的的防氧化化存储保保存环境境,可以以采用氮氮气保护护除湿箱箱或真空空封存,确保焊焊接点的的质量。 4. 规范范焊点设设计 (1)严严格控制制焊盘和和引脚高高度方向向间隙尺尺寸,最最好控制制在0. 1 mm左左右; (2)焊焊盘尺寸寸大于引引脚尺寸寸,一般般单边大大0. 2 mmm左右右; (33)为了了减少热热应力和和