王 鑫，王 慧

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)多功能、高精度、高密度、高頻率能力，實(shí)現(xiàn)電子組裝小型化、輕量化、高性能、高可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。新型產(chǎn)品不斷研發(fā)投產(chǎn)，對于焊接流程、焊接效率、電氣性能等特性均提出了更高的要求。某組件由有源發(fā)射/接收(Transmitter and Receiver，T/R)組件構(gòu)成。T/R組件主要是使用了微帶高頻電路，屬于微波高頻電路，其主要影響因素有腔體、匹配、 隔離 、接地等問題。因此在進(jìn)行組裝的時(shí)候，需要嚴(yán)苛的要求。焊接過程對于鍍金焊盤的保護(hù)、基板氧化層去除、管殼焊接空洞率等要求較高，手工焊接效率低、焊接一致性差、穩(wěn)定性和可靠性低，對最終組件性能影響較大。

組件由管殼、基板、器件、圍框等部件一次焊接而成，由于一體化焊接沒有成熟的工藝規(guī)范，本文將采用設(shè)備貼裝、設(shè)備焊接來解決一次性焊接問題，確保組件的焊接質(zhì)量。本文將根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對其操作過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

電子組裝技術(shù)的發(fā)展可劃分為五代：1)20世紀(jì)50年代，連接導(dǎo)線固定接在有端子的電路基板上的安裝方式；2)60年代，插裝元器件的引腳進(jìn)行搪錫，插入電路板的通孔中的安裝方式；3)70年代，安裝方式是全自動插裝和焊接元器件；4)80年代，安裝方式是自動貼裝的表面組裝技術(shù)；5)80年代至今，進(jìn)入微組裝技術(shù)時(shí)代。

目前我國微組裝及多芯片組裝技術(shù)正處于發(fā)展階段，與西方國家存在較大差距，我國微電子工業(yè)的飛速發(fā)展已為微組裝及多芯片組裝、3D封裝器件奠定了基礎(chǔ)。例如，混合電路、微組裝電路都已具有一定規(guī)模；逐漸建立了許多生產(chǎn)能力較強(qiáng)的生產(chǎn)線；生產(chǎn)設(shè)備得到了較大的改善，設(shè)備也由手動、半自動向全自動進(jìn)步。許多從事分立器件生產(chǎn)、研制的廠所正在向組件化、模塊化、系統(tǒng)化過度；微組裝技術(shù)發(fā)展的軟環(huán)境也趨于完善[1-5]。

2 技術(shù)難點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

國內(nèi)外發(fā)展的方向與趨勢致使固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)越來越受青睞，固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件為發(fā)射與接收最前端的T/R組件。一部雷達(dá)少則幾十T/R組件，多則成千上萬個(gè) T/R組件，數(shù)量大、制造難度大[6]。T/R組件的電路中為了消除一些不必要的接頭，使組件的體積小、重量輕，又具有高的可靠性。通常采用大面積接地這種結(jié)構(gòu)來解決組件中發(fā)射/接受通道、環(huán)行器等的固定，通過微帶線完成它們之間的互聯(lián)，從而構(gòu)成一個(gè)T/R組件電路[7-9]。面對新型產(chǎn)品，在操作過程中存在未知風(fēng)險(xiǎn)及難點(diǎn)，如：電路基板(LTCC低溫共燒陶瓷基板、薄膜電路板)鉑金焊接膜層如何高質(zhì)量、高效率去除；焊膏涂覆如何達(dá)到用量一致，厚度均勻可控；鍍金焊盤過程中如何避免損傷、污染；焊接平整度如何控制、基板空洞率如何保證等。

針對過程中復(fù)現(xiàn)問題，對問題形成原因進(jìn)行分析，得知電路基板鉑金焊接膜層若去除不徹底，會直接影響焊接質(zhì)量，鉑金膜層在焊接過程中不與錫鉛焊料相融合，具有阻焊作用。因此需要精準(zhǔn)去除氧化層，精準(zhǔn)去除的同時(shí)不得損傷鍵合用鍍金焊盤還需緊密配合生產(chǎn)節(jié)拍，所以此工序?yàn)榧夹g(shù)難點(diǎn)。

對于焊膏涂覆，采用漏板印刷方式，按照電路基板焊盤開孔位置制作1∶1的漏板。LTCC基板與FR4板相比,硬度較脆,受外力易碎裂，因此漏板不可直接受力于LTCC基板。設(shè)計(jì)載板工裝有效分散焊膏涂覆時(shí)的基板壓力，解決一次性焊膏涂覆難題。

在組件汽相焊接過程中，管殼腔體內(nèi)會有部分汽相液流入，使焊接過程中部分液態(tài)焊錫成游離狀，液態(tài)焊錫隨著汽相液的流動，流至鍍金焊盤上，造成鍍金焊盤污染，影響后續(xù)鍵合、壓接工序操作。通過實(shí)驗(yàn)，使用膠液保護(hù)，效果明顯，但除去膠液時(shí)容易損傷基板和鍍金焊盤，固化后的膠液不易除去，易產(chǎn)生多余物。使用聚酰亞胺膠帶防護(hù)，焊接過程中膠帶會因受熱而松動，液態(tài)焊錫會從膠帶邊緣松動處流入，造成鍍金焊盤污染，所以此工序?yàn)榧夹g(shù)難點(diǎn)。

整個(gè)LTCC 的接地是通過表層地與LTCC 金屬腔體和圍框的連接來實(shí)現(xiàn)，為了保證整個(gè)LTCC 的接地良好，LTCC 內(nèi)部盡量多打地孔，以減小地孔的電感效應(yīng)。對于基板焊接后的空洞率有明確要求。從管殼裝配、焊片平整度、基板焊接等區(qū)域都應(yīng)處理到位，焊接前對整體平面度要確認(rèn)。圍框在焊接時(shí)也會出現(xiàn)游離的狀態(tài)，對圍框位置的固定及相鄰圍框之間的間隙保證也是風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)。

3 操作流程及解決措施

3.1 操作流程

主要研究解決空洞率的大面積的焊接、工裝設(shè)計(jì)和缺陷分析。解決T/R組件中大面積接地空洞率的研究。主要進(jìn)行鉑金焊接膜層氧化去除、工裝設(shè)計(jì)使用、焊接保護(hù)、使用真空氣象焊接曲線參數(shù)的摸索和測定，焊接完成后進(jìn)行X-Ray檢驗(yàn)并分析原因。

氧化去除：使用介質(zhì)局部，精準(zhǔn)去除，保護(hù)非去除部位不受損傷。

工裝設(shè)計(jì)：從工裝材料的選取、焊接過程中的風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)、工裝施加壓力等方面著手研究，從而減少焊接后鍍金焊盤污染、空洞率降低，保證大面積接地的質(zhì)量。

使用真空氣象焊接時(shí)焊接曲線的摸索與測定，分析焊接曲線，確定最終焊接曲線。

焊接過程開始后，加熱焊件，使焊料溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，焊料開始熔化。在隨后的一段時(shí)間里，保持焊接溫度，使焊料始終處于熔化狀態(tài)。熔化的焊料由于毛細(xì)管作用的原理，在與之接觸的基板或殼體表面“流淌”并逐步擴(kuò)散，這一過程稱為“潤濕”。焊料和金屬表面“清潔”是焊料潤濕的一個(gè)最基礎(chǔ)的條件，清潔的表面保證了焊料和金屬表面之間無阻隔，從而縮短了原子之間相互吸引并結(jié)合的距離。熔化的焊料在焊接面擴(kuò)散，待焊接完成后溫度降至室溫，在基板、管殼焊接面鍍層共同形成的界面層，界面層內(nèi)合金成分直接影響著焊接后的機(jī)械強(qiáng)度，擴(kuò)散層與之有直接或間接的關(guān)系，金屬間化合物和共晶合金一起組成了焊接接頭處的界面層。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到一定程度時(shí)，停止焊接加熱，使焊件逐步冷卻到室溫。最后，在焊接處形成由焊料層、合金層和母材層組成的接頭結(jié)構(gòu)，焊接過程結(jié)束。所以施加一定壓力對焊接時(shí)的連接金屬材料具有重要的意義，加壓可使焊料和母材更為緊密接觸，對接觸反應(yīng)熔化的進(jìn)行有積極的作用。

X-Ray檢驗(yàn)并分析原因：通過X-Ray檢測進(jìn)行檢測分析，得到焊接不合格的原因，從而指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.2 解決措施

3.2.1 LTCC基板鉑金焊接膜層氧化處理

常規(guī)去除氧化層的方法為使用無水乙醇擦拭，此方法無法徹底去除陶瓷基板表面氧化層，影響焊接質(zhì)量。通過采用專用磨砂橡皮可徹底去除基板表面氧化層，使其呈現(xiàn)金屬光澤。氧化層擦除完成后，使用小毛刷和半干無水乙醇無紡布將橡皮屑清潔干凈，并對基板狹小位置上遺留多余物用壓縮空氣進(jìn)行清除，從而滿足焊接需求。

圖3 去除氧化層后的LTCC基板

3.2.2 基板焊接平整度及孔洞率保證

在焊接過程焊料未潤濕焊接母材、焊料中有間隙、有氧化物等因素造成的焊接缺陷統(tǒng)稱為空洞缺陷，這種缺陷也是考核焊料與母材界面層結(jié)合好壞的重要考核指標(biāo)?？斩慈毕莸拇嬖谠斐珊附咏宇^不具備好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，也導(dǎo)致連接的機(jī)械強(qiáng)度降低[10]。

基板的連接是指靠某種方式使LTCC基板和殼體之間形成接頭且這種接頭具有牢固性、傳導(dǎo)性和絕緣性。本文采用鉛錫焊接的方法滿足焊接基板需求。

鉛錫焊片材質(zhì)軟，硬度低，手工裁剪受力不均會導(dǎo)致鉛錫焊片變形。本文采用激光剪裁焊片，有效保證基板與管殼間錫量一致性。

為減少焊接后底部空洞，在基板與機(jī)殼之間墊一層厚度為0.1 mm的鉛錫焊片，焊片在平臺上用專用工裝進(jìn)行“搟”平，“搟壓”過程用力均勻。用半干的無水乙醇無紡布對鉛錫焊片擦拭后用濾紙將焊片包裹平整、工裝壓平待用。

3.2.3 工裝設(shè)計(jì)及焊膏涂覆

TLCC基板為多邊異形，板材為陶瓷介質(zhì)，陶瓷材料韌性低、易碎、容易產(chǎn)生裂紋、繃瓷等現(xiàn)象，報(bào)廢率相對較高，在操作過程中嚴(yán)防磕碰與受力，因此印刷過程模板不可直接受力于LTCC基板。且手工涂覆焊膏，無法保證元件兩端焊膏量一致，影響焊接質(zhì)量，且效率低。因此采用模板印刷的方式涂覆焊膏。

為解決此問題，設(shè)計(jì)了適用于此基板操作的載板工裝如圖4所示。選用材質(zhì)韌性好，硬度低的聚酰亞胺制作，避免與陶瓷基板硬碰硬。載板工裝中心局部平整下凹、中空，下凹高度與基板厚度一致。將基板水平“嵌入”載板工裝內(nèi)，使基板表面與載板工裝表面平齊，載板工裝在防護(hù)基板的同時(shí)有效減少基板受力。

圖4 載板工裝

將基板“嵌入”載板工裝，放置于印刷焊膏的工裝內(nèi)進(jìn)行焊膏印刷。載板工裝與模板焊盤相對位置固定，印刷焊膏時(shí)只需更換基板與微調(diào)對位即可，有效減少傳統(tǒng)印刷手工涂覆焊膏反復(fù)對位的時(shí)間。

(a)載板工裝 (b)位置固定 (c)漏板固定 (d)涂覆焊膏

3.2.4 貼裝

介于基板的不規(guī)則性，無法實(shí)現(xiàn)全自動貼片機(jī)的加持與貼裝，需借助輔助工裝夾持基板完成貼裝。圖4中的載板工裝同樣適用于此，貼裝過程中將基板放入載板工裝內(nèi)，設(shè)備夾持工裝進(jìn)行貼裝，為防止基板不受外力拋出，在貼裝過程將基板與載板工裝固定，確保貼裝的成功率。貼片機(jī)無法自動貼裝的元器件，進(jìn)行手工二次貼裝。

3.2.5 組裝

將貼裝后基板放入管殼后安裝圍框，圍框放置于焊盤中心位置，不可施壓。為防止焊接后圍框粘連無法修復(fù)，導(dǎo)致整個(gè)管殼報(bào)廢。焊接前在相鄰圍框間用工裝在圍框上方懸空粘接，粘接位置在圍框側(cè)壁留有焊膏熔化高度或圍框高度2/3處，保證相鄰圍框間存在有效間隙，從而保證圍框焊接后不發(fā)生位移、粘連。

圖6 圍框隔離

3.2.6 鍍金焊盤保護(hù)及絕緣子端頭保護(hù)焊接

基板鍍金焊盤不能被污染，涂覆焊膏、貼裝都需嚴(yán)控多余物及焊膏粘連?；搴附訒r(shí)為防止焊錫迸濺污染鍍金焊盤，在焊接前使用自制墊片對鍍金焊盤處進(jìn)行保護(hù)。管殼上的絕緣子盡量在LTCC基板開孔處居中。機(jī)殼內(nèi)絕緣子在操作全過程中不能有焊錫粘連或污染，在貼裝前使用酒精毛刷清潔絕緣子側(cè)面與端頭。焊接前使用清洗干凈的自制套筒工裝進(jìn)行保護(hù)，在絕緣子上，套工裝保護(hù)。放置套筒時(shí)夾持工具和套筒不可接觸絕緣子鍍金表面。

使用真空焊接設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)品特性，分析出實(shí)驗(yàn)適合的焊接曲線。針對真空設(shè)備焊接中的難點(diǎn)，重點(diǎn)解決微波芯片空氣橋避讓技術(shù)(特色壓塊的設(shè)計(jì)加工來解決)和抽真空工藝施加、氮?dú)獗Ｗo(hù)的一系列參數(shù)的精確控制，以達(dá)到高精度、高焊透率和高效率低成本的生產(chǎn)[11]。焊接完成后取出套筒、圍框、墊片等保護(hù)工裝，將模塊放入盛酒精的容器中浸泡，使用清洗工具對模塊表面助焊劑清洗。

(a)絕緣子端頭 (b)絕緣子端頭保護(hù) (c)鍍金焊盤保護(hù)

對焊接質(zhì)量進(jìn)行評估，檢測的方式為顯微鏡下目檢和X-Ray檢測。目檢是顯微鏡下檢查元件焊點(diǎn)及外觀、鍍金焊盤污染情況、基板邊緣焊料的外溢狀況，但檢測不到內(nèi)部焊接面的空洞率情況，因此借助X-Ray檢測設(shè)備。焊接后的管殼外觀照片及運(yùn)用X-Ray檢測焊接的空洞缺陷，保證了芯片焊接空洞率檢測的穩(wěn)定性，符合軍標(biāo)要求，如圖8所示。

(a)焊接前 (b)焊接后X光

4 結(jié)論

本文對組件管殼、基板、器件一體化焊接的方法和技巧進(jìn)行了介紹，并對操作過程風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提出了預(yù)防及解決措施，對一體化焊接奠定了基礎(chǔ)，對提升操作工藝起到了良好的推進(jìn)作用。前期階段采用傳統(tǒng)模式單人手工貼裝，每人每天可出產(chǎn)2～3塊，產(chǎn)能低，問題多，通過發(fā)明針對性的工裝，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，避免人為質(zhì)量問題，日產(chǎn)量達(dá)到八人50塊，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能大幅度提升，保證了生產(chǎn)任務(wù)的圓滿完成。有效實(shí)現(xiàn)TR模塊高可靠、自動化生產(chǎn)，保證產(chǎn)品一致性，合格率從50%提高到95%，效率提高5倍。