微波模块的三防设计

微波模块的三防设计微波模块应用范围越来越广泛，使用环境越来越复杂，对产品在各种条件下工作的稳定性和可靠性要求越来越高。高频微波模块对恶劣的环境反映非常敏感，如果防护不当随着微波电路腐蚀的缓慢进行，电路性能逐渐恶化，频率向下漂移，增益下降，噪声增大，带宽变窄及输出功率变小等。微波模块的三防性能已成为重要的技术指标之一，它已不单纯是一项工艺技术的实施，而应当涉及到材料、元器件、电路、结构、工艺和综合性技术管理等多方面的工作。1微波模块三防设计的现状根据统计，微波模块失效的案例中80%是由于设计不当造成的，加工或工艺问题只占不足20%。目前在功能模块的三防设计中，往往缺少完备的设计规范，都是在凭经验进行，具有很大的随意性。部分没有经过充分试验论证的新技术、新工艺、新材料被引入新产品的设计中，无法与产品的整个结构形成良好的匹配，致使产品的三防性能大大降低。产品的三防性能是设计出来的，如果不重视三防设计，单纯强调工艺防护，必然是先天不足，后患无穷，甚至导致整个产品或系统失败。为了使产品在恶劣环境下正常工作，结构设计人员必须详细了解产品的工作环境条件及其影响，将三防设计纳入到产品的功能设计之中，避免单纯的工艺防护和事后的补救措施。根据产品的工作环境条件的性质，影响因素的种类，作用强度的大小来采取相应的三防措施，设计合理的防护结构。2微波模块的三防设计技术目前，普通电子产品中的印制电路板和金属结构件表面普遍采用了涂覆有机涂层的方法提高产品的三防性能，进一步防止基体材料受到腐蚀。涂覆有机涂层是迄今为止最有效、最经济和最普遍采用的方法。但是高频微带电路进行涂覆处理比较困难，会带来一些负面影响：增加原有电路的分布参数；改变微带的感量；导致频率漂移；使输出功率下降等。高频微波模块的三防要求高、难度大，设计过程中必须统筹兼顾材料的优选、合理的结构设计、镀层的选择、规范的装配程序等等措施，并将其有机结合起来，形成可靠的三防体系。2.1材料优选优选经认证或经多年实践证明是可靠的金属材料和非金属材料，对选用的新材料特别注意考虑其可靠性和工艺稳定性。关键的结构件或者易产生腐蚀的部位宜选用耐腐蚀材料。目前，由于铝合金与铜合金优良的导电性、良好的可加工性和经济性，在微波模块的屏蔽盒和腔体中被广泛使用。通常情况下铝合金防腐蚀性能按照：纯铝、防锈铝、锻铝、压铸铝、硬铝顺序依次递减。在湿热环境下应用硬铝2A12的加工件要非常慎重，必须采用阳极氧化结合有机涂层的防护措施。为控制腐蚀，建议优选Al-Mn，Al-Mg系防锈铝（LF）或者锻铝（6061或6063），无承力要求及高导电的结构件可选用纯铝。其中6061—T651是一种经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金，具有良好的抗腐蚀性能，无应力腐蚀破裂倾向，可以应用于潮湿和海水介质中，再配合适当的镀涂，完全能够满足实际使用的需要。黄铜有良好的可切削性和力学性能，对一般腐蚀有良好的稳定性，在大气和海水中比纯铜耐腐蚀，在微波模块中被广泛用来制作腔体。铍青铜的综合力学性能良好，在大气、淡水和海水中抗腐蚀性极佳，常用来制作微波模块中的弹性元件和耐磨元件。可伐合金4J29在20〜450C。范围的线膨胀系数与硬玻璃和陶瓷相近，可以实现玻璃绝缘子和微带电路的良好封装匹配。对于生命周期长，环境温差大的高频微带电路使用可伐合金代替黄铜进行封装，可以提高产品的可靠性。选用非金属材料时，表面电阻、介电常数、损耗系数等所需指标在整个频带和温度范围内必须保持稳定。此外宜选用低吸潮、耐霉菌、无腐蚀性气氛逸出以及与相邻金属无接触腐蚀的材料。2.2结构合理由于成本的关系，还不能大量使用耐腐蚀性材料，但合理的结构设计可以防止或减少材料的腐蚀。1） 表面结构应尽量简洁、流畅、过渡圆滑，防止零件局部受热和应力集中。2） 在可能积水和留存湿气的空间，应开设排水孔和通风孔。3） 避免凹槽、盲孔、缝隙，以防使腐蚀性介质滞留和聚集。盲孔的存在会导致孔内腐蚀性液体难以清洗干净，不仅污染镀液，还会对镀层质量有不良影响。因此，设计中应尽量减少盲孔结构。如螺纹底孔采取通孔方式。4） 长期户外工作的大型模块应尽量避免气密设计，因为气密设计一旦失效，腔内会由于日晒气体逸出，当夜晚气温下降时会进入湿气，周而复始内部产生积水，使电子设备受潮失效。气密结构还会引起设备散热困难和维修的不方便，一般可将易受环境因素影响的元器件、零部件进行单独密封。5） 尽量选用同种金属或者电位差小的不同金属直接接触，以防电偶腐蚀，不可避免时，可以选用两种金属都允许接触的金属垫片或者镀层进行过渡，关键零件应选用阴极材料制作。当紧固件（如螺钉等）与被连接件不允许接触时，可以选用绝缘密封垫圈进行密封。6） 银迁移是电子产品的特殊腐蚀问题，在高电位差和潮湿气氛中，银可以迁移穿过绝缘层，造成绝缘材料性能下降甚至引起短路。通过合理的结构设计完全可以预防：避免紧靠的两路电路间电位差过高，对存在电位差的两路电路加大相互距离。7） 避免导电密封衬垫和导电胶粘剂带来的电偶腐蚀和银迁移而引起的短路等问题。导电密封衬垫必须是完整闭合的，不可以拼接，压缩量应为18%〜25%。合理设计安装槽，防止衬垫压缩后“过容”。涂抹导电胶前，腔体表面清洁无污染，且一定要彻底固化后再封装。2.3合理的表面处理和工艺防护为满足高频微波模块表面电阻低，电导率高的要求，铝合金零部件宜镀银，铜、可伐合金宜选择镀金。对于铝制屏蔽盒类零件可以采用化学导电氧化处理作为减缓电偶腐蚀的一项辅助措施。铝件镀银时必须使用铝丝拴挂，防止其他金属和铝基体发生置换，导致拴挂附近镀层结合力不良。薄的银镀层多孔，在潮湿环境下与基体铝会产生电偶腐蚀，建议银镀层厚度达到8〜15微米。没有镍底层的铜合金零件镀银或以铜为底层的镀银零件不能在148C。以上连续工作，否则将会生成具有脆性的银与铜的低熔扩散物，影响银镀层与铜底层的结合力。机加工完成后立即进行清洗是最容易清洗干净的，零件表面清洗干净以后，最外层就是洁净的金属基体，很容易与空气中的尘埃、水气反应。即时清洗之后的各道表面处理工序必须迅速进行，防止工件表面被污染或者产生氧化层。黄铜腔体镀金前可以进行微细喷砂处理，有效清除表面氧化物，提高表面清洁度，清除基体表面的裂缝、毛刺等缺陷。我们将同一批次腔体分别采取微细喷砂后镀金和直接镀金后进行中性盐雾试验，从表1可以看出微细喷砂后镀金质量大大提高。表1微细喷砂的对比试验结果2.4装配过程控制装配过程中禁止赤手接触零部件，装配人员必须佩戴防静电手套和指套，微带片应使用镊子进行夹取。目前，关键微波模块装配过程中采用密封的方法有胶粘剂密封、衬垫密封、真空烧结、软钎焊密封、激光封焊和平行封焊等。对于密封性要求高的模块，要达到气密水密要求，需要综合选用真空烧结、软钎焊、激光封焊和平行封焊。如射频I/O绝缘子采用真空烧结，馈电控制绝缘子采用高频感应软钎焊（如图1所示），腔体和盖板可用激光封焊或者平行封焊，对于密封性要求不高的模块，可选用胶黏剂或衬垫密封等成本较低的密封工艺。为兼顾可靠性和方便维修，可采用低温钎焊的封装方法。由于导热率较高，铜镀金的腔体采用激光封焊难度较大，可采用真空或惰性气体气氛中钎焊，封盖后腔体漏率W1X10-8(Paxcm3)/s国军标要求，可较好满足气密性要求。可伐合