摘要:主要介绍了微波组件产品的密封焊接技术,并阐述了每种工艺方法的机理以及各自的优缺点，以及影响组装质量的主要因素和优化方法。
关键词:微波组件;封焊方
焊接方法可以做到密封,但对操作人员、盒体设计要求要高,稍有不当,就容易产生多余物。当生产批量较大时,使用平行缝焊工艺是最成熟、生产效率和成品率最高的一种方式,但其具有局限性,
一、微波组件产品的焊接技术
良好的密封可以保护器件和封装金属内层不受环境腐蚀和机械损伤。目前微波组件的主要密封方式有钎焊密封、平行缝焊密封、激光焊接密封、环氧胶密封。
1.钎焊密封。钎焊密封是利用钎焊原理，在相对较低的温度下完成，其优点是可返修性好。由于微波组件密封时内部的电路已经调试完毕，密封时组件内部温度不能超过其器件和焊料所能承受的最高温度，因此钎焊密封多选用低温焊料。另外，钎焊接头结构设计也很关键，合理的接头缝隙有利于钎料的毛细作用，但钎焊密封容易产生焊锡珠、助焊剂残留等焊接杂质，为了防止焊接杂质渗入密封体，往往需要设计复杂的焊接接头，甚至采用双层盖板。因此，钎焊密封较难应用在小型化微波组件上。随着钎焊技术的发展，感应钎焊、激光钎焊、借助平行缝焊实现钎焊等先进的钎焊方式被提出，并在组件的密封上得以应用。它们通过改变钎焊能量的来源，将热量集中在焊接接头，降低了热源对微波组件的影响。其中感应钎焊主要原理是依靠工件在交流电的交变磁场中产生感应电流进而产生电阻热来加热，可以将热量控制在组件局部部位；激光钎焊采用激光为钎焊能量来源，由于光束易控，可以精确焊接，对组件的热影响最低；平行缝焊钎焊虽对组件结构有一定要求，但其生产效率、成品率较高，适合批量生产。采用平行缝焊对AuSn钎料熔融进行封盖的新方法，并大量用于产品的批量化生产，一次合格率达99%。
2.平行缝焊。传统的平行缝焊密封在各类微波器件封装中普遍采用，如晶体振荡器、谐振器、滤波器、放大器等，工艺较为成熟。平行缝焊通过相互匹配的工艺参数，使焊接壳体温升较低，能够获得较高的气密性。目前，平行缝焊的底座多采用氧化铝陶瓷、可伐材料，通过在底座上焊接可伐或4J42铁镍合金形成
管壳，最终使用可伐盖板平行缝焊封盖。近年，平行缝焊技术在小型化、片式T/R组件的密封中发挥了重要作用，采用LTCC立体封装的瓦片式T/R组件密封性能优越。平行缝焊能够在生产中广泛应用的一个重要原因是其效率较高，可实现阵列封装。但是，平行缝焊的缺点也很明显，其要求组件结构规则，壳体及盖板材料单一，可返修性差，使平行缝焊技术的应用受到一定的制约。
3.激光缝焊。激光缝焊因其密封的接头性能优越、热影响区域小等优点被广泛应用，与平行缝焊相比，激光缝焊对组件的结构限制较小，有着更宽的使用范围。并且，激光缝焊对常用的微波组件壳体材料如Kovar（可伐）合金、钛合金、铝合金、高硅铝等皆能实现良好的密封。影响激光缝焊密封质量的因素有很多，而合理的参数设置，对缝焊接头的质量最为重要。其中，激光功率和脉冲波形决定激光能量的大小；离焦量决定焦点与焊接平面的相对位置，能有效控制熔深、熔宽；焊接速度决定焊点的重叠率和整个接头吸收的总激光能量。实践证明激光功率、脉冲波形、焊接速度、离焦量的合理设置对激光缝焊接头的质量有显著影响。通过采用正交试验结合组合脉冲波形方法快速找到高硅铝合金、可伐合金等材料的较优焊接参数，能够有效控制裂纹的出现。近年，逐渐有人提出了采用组合脉冲波形进行激光缝焊的新方法，使可伐盒体的密封成品率得到有效提高。然而，组合脉冲波形也有一定的缺陷，即较难找到规律性，相同的输出功率不同的波形焊后接头外观差异较明显。对单一脉冲频率，通过组合脉冲，每增加一个脉冲，试验就需多增加相应因素数目的样本，试验成本较高。
4.环氧胶密封。环氧胶因实用、方便、成本低等优点被广泛用于芯片及模块的密封，如成熟的COB技术。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆环氧胶的厚度决定其密封质量，但是环氧胶涂覆越厚越不利于返修。因此，环氧胶密封适用于对密封要求不高、使用环境较好的微波组件。此外，环氧胶密封方法因其可操作性较高，可用于修补局部的密封缺陷。
二、激光焊接的工艺参数研究
1.焊接环境气氛。铝合金材料与氧的亲和力大,产生的氧化物对焊接效果有影响。试验表明,焊接气氛中氧气、水汽含量较高时,焊缝外观暗淡,焊接强度较差;只有当焊接气氛中氧气、水汽处于较低水平时,焊缝才会光亮。在激光焊接之前,进行长时间的手套箱氮气清洗是必要的,清洗后启动手套箱内部的气体纯化系统,使内部残留的氧气、水汽含量降低到100x10-6以下。除使用保护气氛外,当需要进行激光深熔焊接时,需要使用辅助气体。由于激光深熔焊接会产生等离子体,一类是屏蔽气体离化,在小孔内部和上方形成的等离子体,它与入射激光束方向平行。另一类是激光作用金属所产生的金属蒸汽等离子体,它与入射激光束垂直。等离子体对激光焊接熔池行为有重要的影响,如果等离子体控制得不好,可能会造成激光焊接的不稳定,甚至可能造成激光焊接过程的中断。针对等离子气体对焊接造成的影响,通常采用沿焊接方向吹辅助气体,消除或减弱等离子体的产生。辅助气体有氦气、氮气、氩气或混合气等,氦气抑制等离子体的效果最好,这是因为氦气不仅有较大的电离电流,而且导热性好,使得产生的等离子体不易扩展。
2.激光能量.激光脉冲能量=峰值功率x脉冲宽度。在光斑面积一定的情况下,峰值功率决定了功率密度,功率密度=峰值功率/光斑面积。激光设备的能量控制分为电流反馈、功率反馈和能量反馈,最好的模式为能量反馈,无论电源电压的波动、氙灯输出功率的衰减以及光路的衰减,都能保证输出能量的稳定。(1)功率密度直接决定材料的温升时间,功率密度越大,温升越快,以不锈钢为例,当功率密度为3.5x104W/cm2,材料表面会在1ms被加热到熔点1 500 。而当功率密度为6x3x104W/cm2,材料表面会在1ms被加热到沸点2 700。常用材料在1ms内被加热到熔点和沸点的功率密度。但是,由于不同的材料反射率不同,比如银为96%,铝为92%,铜为90%,而铁的只有60%。尽管铁比铝达到熔点所需要的功率密度大一倍,但由于铁反射率小,实际需要的入射功率密度反而要小些。(2)在激光热传导焊接中,激光脉冲宽度与焊缝熔深有直接关系,脉宽越宽,熔深越大,而其热影响区域就会越大。试验不同脉宽对焊接效果的影响,以铝合金6061-4047为例,试验1,2,4和8 ms四种情况,当脉宽较小如1和2m s时,焊接的熔深不够,表面容易飞溅,外观质量和气密性都无法保证;当脉宽较大如8m s时,需要的焊接平均功率较大,盒体的温升较高,试验使用需要认真评价,当脉宽宽度为4 ms时,效果较好,根据焊接的效果,脉宽可以在4 ms左右进行调整。盒体的材料不同,选择的脉冲宽度也不同,应根据实际的材料来调整。
3.激光脉冲波形的设置。考虑到铝合金材料的高热导率和对激光的高反射率,在脉冲初始阶段应设置一个接近峰值功率的短时尖脉冲,使材料表面迅速融化,从而顺利地吸收激光能量,很快进入到后续的方波脉冲,充分反应。此外,铝合金的高温强度低、塑性差、膨胀系数大,凝固时体积收缩率达6.6%,焊件产生较大的内应力,有变形和裂纹倾向,所以在波形的中后段应有适当的低能量时段做缓冲。
4.激光脉冲重复频率和焊接速度。每个激光脉冲形成一个熔斑,焊件与激光束相对移动速度决定了熔斑的重叠率,一系列的熔斑形成连续的鱼鳞状的焊缝。项目试验结果显示,重叠率在70%以上可以保证焊接的密封性。
结束语：
随着航空、航天、船舶等技术领域的高速发展，微波组件的市场需求量将越来越大，其组装技术也将越来越受重视。本文阐述了微波组件组装中的几种关键工艺技术，在这方面做了一些归纳和总结。
参考文献:
[1]张建.现代激光制造技术[M.北京:化学工业出版社,2016.
[2]郑华.激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究[J].激光技术,2016,24(2):260-264.
论文作者:李美华
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/8/30
标签：激光论文; 钎焊论文; 脉冲论文; 组件论文; 功率论文; 微波论文; 等离子体论文; 《防护工程》2019年12期论文;