微波組件金帶連接工藝研究

微波組件金帶連接工藝研究

1總結(jié)隨著微波信號(hào)頻率的增加，宇宙領(lǐng)域的微波產(chǎn)品頻率被覆蓋到x和ka段，信號(hào)傳輸部分的損失和電壓駐波比也有更高的要求。2試驗(yàn)計(jì)劃2.1試驗(yàn)裝置和工具使用的試驗(yàn)裝備和材料為電子點(diǎn)焊機(jī)、結(jié)構(gòu)盒體、微帶板、金帶四部分。電子點(diǎn)焊機(jī)選用電容儲(chǔ)能式SWP300型點(diǎn)焊機(jī)，結(jié)構(gòu)盒體為鋁合金板，微帶板上設(shè)計(jì)有50Ω阻抗直通微帶線，表層用鎳打底電鍍軟金，鍍金厚度為2.5～4.5μm。微帶板通過(guò)螺釘緊固在盒體底面。金帶選用金含量99.99%的軟金金帶，寬度0.5mm，厚度12.7μm。樣品拉力試驗(yàn)采用荷蘭XYZTECCondor系列推拉力測(cè)試儀配置的夾拉力傳感器。部分試驗(yàn)材料實(shí)物圖如圖1所示。2.2試驗(yàn)過(guò)程及分析微帶線與金帶的點(diǎn)焊參數(shù)研究采用正交試驗(yàn)的方法。正交試驗(yàn)中，焊接電壓、電極壓力、焊接時(shí)間每個(gè)參數(shù)選取5個(gè)變量，三因素五水平，一共25組試驗(yàn)，每個(gè)參數(shù)試驗(yàn)三次，取其均值。電極壓力選取8.4～14N，焊接電壓選取0.60～0.80V，焊接時(shí)間選取8～20ms。使用拉力機(jī)的單點(diǎn)拉力夾頭進(jìn)行焊點(diǎn)拉斷力試驗(yàn)。試驗(yàn)中對(duì)金帶焊點(diǎn)拉力試驗(yàn)過(guò)程中的斷裂方式進(jìn)行了記錄，如圖2所示。將焊點(diǎn)的斷裂方式分為三類：a.斷裂方式a：鍵合面處完全脫落，焊點(diǎn)斷裂在兩種鍵合材料的界面上；b.斷裂方式b：鍵合面部分撕裂；c.斷裂方式c：斷裂在頸縮處或金帶其他部位。3焊接技術(shù)的研究3.1焊接電壓對(duì)焊接電流值的影響選取的正交試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。對(duì)各組單一變量下的拉力值和電流的平均值進(jìn)行整理，圖3展示了焊接參數(shù)與記錄到的焊接電流和拉伸性能的關(guān)系。從圖中可看出，隨著電極壓力、焊接電壓、焊接時(shí)間的增大，焊點(diǎn)最大拉力均先增加后趨于平穩(wěn)。電極壓力和焊接時(shí)間對(duì)記錄到的焊接電流值影響不大，焊接電壓對(duì)記錄到的焊接電流值影響較大，二者為正相關(guān)。由焦耳定律可知，熱輸入與電壓的二次方成正比，與電阻成反比，與時(shí)間成正比。焊接電壓能夠直接改變焊接過(guò)程中的總能量，對(duì)焊點(diǎn)結(jié)合程度影響較大。電極壓力的作用主要在促進(jìn)金帶與微帶線的鍍金層之間的結(jié)合，促進(jìn)結(jié)合面變形擊碎氧化及雜質(zhì)層，減少接觸電阻，減少焊接打火等方面，但過(guò)大的變形會(huì)造成印制板基板材料變形、鍍層起翹等影響，因此對(duì)電極壓力仍需加以控制。短時(shí)間、大電壓的“硬參數(shù)”易導(dǎo)致電極打火、碳化等問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間、小電壓的“軟參數(shù)”能夠緩解焊接過(guò)程中的打火、過(guò)度熔化等問(wèn)題，有利于焊頭端面的平整和使用壽命。綜合考慮焊接強(qiáng)度、材料變形、打火等因素，最終參數(shù)選擇F=9.8～12.6N,U=0.70～0.75V,t=27ms。3.2金相分析結(jié)果使用以上工藝參數(shù)，制作微帶線-金帶焊點(diǎn)樣品，如圖4所示。金相分析依據(jù)技術(shù)條件GB/T13298。金相分析結(jié)果如圖5所示。從圖中看出，兩處焊點(diǎn)的焊接界面兩側(cè)金層已完全熔合，焊點(diǎn)無(wú)空洞、虛焊等焊接不良情況，焊接質(zhì)量良好。對(duì)于微帶線-金帶焊點(diǎn)，完全熔合的鍵合區(qū)域長(zhǎng)度約550～600μm，略大于焊頭在該方向上的寬度300μm，說(shuō)明焊點(diǎn)在焊頭下方形成了完整的熔合區(qū)域。3.3鍵合金帶斷裂方式確定采用的平行間隙焊是微點(diǎn)焊的一種，利用焊接區(qū)金屬本身的電阻熱和大量塑性變形能量，使兩個(gè)分離表面的金屬原子之間接近到晶格距離，形成金屬鍵，在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠量的共同晶粒而得到焊點(diǎn)三種典型的拉力-位移曲線如圖6所示，在拉力試驗(yàn)中，首先由鍵合區(qū)域邊緣受力，發(fā)生局部彈性變形，拉力-位移曲線上升，隨著焊點(diǎn)受力逐漸增大，根據(jù)焊點(diǎn)結(jié)合情況不同，分為以下三種情況：a.焊點(diǎn)鍵合面未形成有效焊接，塑性環(huán)未形成，僅在局部區(qū)域形成結(jié)合。隨著彈性變形階段進(jìn)行，鍵合點(diǎn)內(nèi)部局部結(jié)合區(qū)域被破壞，焊點(diǎn)沿撕裂方向逐漸從微帶線撕脫。當(dāng)撕脫區(qū)域擴(kuò)展至整個(gè)鍵合區(qū)域時(shí)，金帶從微帶線上脫落。脫落后表面情況如圖7a所示。b.焊點(diǎn)鍵合面為充分焊接，塑性環(huán)形成，鍵合區(qū)域內(nèi)部未完全結(jié)合。隨著彈性變形階段進(jìn)行，拉力值達(dá)到塑性環(huán)邊緣處能承受的最大拉力值，塑性環(huán)一端被撕脫，撕脫區(qū)域擴(kuò)展至鍵合區(qū)域內(nèi)部，拉力值下降，當(dāng)撕脫區(qū)域擴(kuò)展至塑性環(huán)另一端時(shí)，拉力值再次上升然后下降，直至金帶完全被撕脫。由于塑性環(huán)形成的程度不同，金帶撕裂一般開(kāi)始于鍵合點(diǎn)邊緣內(nèi)部，并在撕裂過(guò)程中沿鍵合點(diǎn)內(nèi)部撕裂，也可能不會(huì)撕裂至塑性環(huán)另一端即從微帶線上脫落。撕裂后會(huì)有部分金帶在鍵合區(qū)域殘留，如圖7b所示。c.焊點(diǎn)鍵合面兩側(cè)完全鍵合。彈性變形階段末期拉力不足以撕裂焊接鍵合面，因此進(jìn)入塑性變形階段，金帶在薄弱位置（一般為鍵合點(diǎn)邊緣）發(fā)生塑性變形，拉力值繼續(xù)增加，最終達(dá)到金帶自身抗拉強(qiáng)度而斷裂，如圖7c所示。當(dāng)焊點(diǎn)拉斷方式為此方式時(shí)，焊點(diǎn)具有很高的焊接強(qiáng)度。拉斷力高于GJB548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》鍵合強(qiáng)度要求（約0.204N）的數(shù)倍，且大于GJB953A—2008《貴金屬及其合金板、片、帶材規(guī)范》中Au99.99材料強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的抗拉力值（約0.765～0.953N）。通過(guò)以上分析，應(yīng)控制焊接參數(shù)使焊點(diǎn)的斷裂方式為c（鍵合面邊緣斷裂），形成界面完全結(jié)合的可靠金帶點(diǎn)焊焊點(diǎn)。實(shí)際進(jìn)行產(chǎn)品連接器端子軟件包焊連接時(shí)，使用優(yōu)化的焊接參數(shù)焊接，同時(shí)通過(guò)觀察壓痕形態(tài)、試?yán)确绞脚袛嗪更c(diǎn)焊接質(zhì)量。4試驗(yàn)結(jié)果分析通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)和拉力試驗(yàn)的方法，研究了金帶連接工藝參數(shù)對(duì)焊接強(qiáng)度的影響，得到了最優(yōu)參數(shù)，通過(guò)金相分析驗(yàn)證了焊點(diǎn)的結(jié)合情況，結(jié)合拉力試驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展了金帶焊接的機(jī)理分析，比較了三種不同的斷裂方式對(duì)應(yīng)的