某雷達微帶天線單元制造工藝研究*

李 敏，孫曉偉，陳奇海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某雷達微帶天線單元制造工藝研究*

李 敏，孫曉偉，陳奇海

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某雷達微帶天線單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)板具有開放式、低剛性的薄壁結(jié)構(gòu)，電氣板配合面具有局部多層的臺階結(jié)構(gòu)。采用現(xiàn)有制造方法，零件成品率低，存在接地不可靠、駐波損耗大、盲配難等問題。為了解決這些技術(shù)問題，從整體工藝路線制定、低溫釬焊工藝設(shè)計方面，有針對性地提出了有效控制變形、保證板間連接質(zhì)量的解決方案。檢測結(jié)果表明，指標(biāo)滿足實際使用要求，性能穩(wěn)定、可靠，解決了成品率低的問題。該零件已在某機載雷達產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

微帶天線；開放式結(jié)構(gòu)；工藝路線；低溫釬焊

引 言

微帶天線具有剖面薄、易與載體共形、與集成電路兼容性好、易于批量制造等優(yōu)點，在機載雷達、通信等領(lǐng)域被廣泛工程化應(yīng)用。微帶天線單元通常由結(jié)構(gòu)板和電氣板組成，電氣板由多層微帶板與低耗材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)板有的由金屬基板加工而成，有的由輕質(zhì)高強度的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成[1]。以本文研究的某微帶天線單元為例，為了實現(xiàn)機載環(huán)境下的盲配可靠及輕量化等設(shè)計需求，其結(jié)構(gòu)板采用金屬材料加工而成，具有開放式、低剛性的薄壁結(jié)構(gòu)，電氣板配合面則具有局部多層的臺階結(jié)構(gòu)。采用現(xiàn)有方法，加工出來的零件存在一些問題，如結(jié)構(gòu)板與電氣板連接面含較大空洞導(dǎo)致接地不可靠、結(jié)構(gòu)板與電氣板側(cè)面貼合有縫導(dǎo)致駐波損耗大、加工變形導(dǎo)致射頻連接器與微波功能組件盲配難，零件成品率低。因此，本文擬對其結(jié)構(gòu)形式和工藝難點進行分析，從整體工藝路線制定和精密連接技術(shù)設(shè)計兩方面，有針對性地提出解決方案，確保此類零件的制造質(zhì)量。

1 工藝分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點

某微帶天線單元如圖1所示，包括結(jié)構(gòu)板、電氣板和射頻連接器。電氣板連接在結(jié)構(gòu)板上，射頻連接器螺裝在結(jié)構(gòu)板上，射頻連接器插芯與電氣板錫焊連接，天線單元以平面陣列形式安裝在天線陣面上，多路射頻連接器采用盲配方式與微波功率模塊連接。

圖1 某微帶天線單元示意圖

該微帶天線單元結(jié)構(gòu)具有如下特點：

1)結(jié)構(gòu)板的壁薄、剛性低、精度高。外形尺寸334 mm × 33.8 mm × 9 mm(長 × 寬 × 高)，厚度最薄1 mm，重要結(jié)構(gòu)尺寸和位置精度±0.03 mm，配合面平面度0.1，表面粗糙度Ra1.6，多路連接器安裝孔的直線度和垂直度0.1。需保證連接器與微波功能組件的盲配性能可靠。

2)電氣板和結(jié)構(gòu)板的連接配合質(zhì)量優(yōu)。電氣板呈局部多層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)板與之相配合的面呈臺階結(jié)構(gòu)，見圖2。要求電氣板側(cè)面與結(jié)構(gòu)板側(cè)面的配合面3貼合緊密無縫(采用0.1 mm塞尺在配合面塞不進去)，以減少駐波損耗。電氣板底面與結(jié)構(gòu)板表面的配合面1連接致密且導(dǎo)電，保證接地可靠。

圖2 天線單元截面示意圖

1.2 工藝難點

薄壁、低剛性的結(jié)構(gòu)板涉及精密加工技術(shù)，控制變形是關(guān)鍵。電氣板與結(jié)構(gòu)板的裝配涉及精密連接技術(shù)，其開放式的配合結(jié)構(gòu)及臺階狀的配合面均給工藝實現(xiàn)帶來極大困難。因此，工藝制造難點主要體現(xiàn)在滿足精度與可靠性要求的整體工藝路線設(shè)計和開放式、臺階狀配合面的可靠連接工藝技術(shù)。

2 工藝實現(xiàn)

2.1 整體工藝路線制定

結(jié)合對微帶天線單元的工藝分析，制定的整體工藝路線如圖3所示。

圖3 整體工藝路線圖

針對結(jié)構(gòu)板，擬選擇強度高、加工性好、防腐性強的5A06鋁板。一方面，薄壁類零件的加工變形主要由材料殘余內(nèi)應(yīng)力釋放不均引起[2]，主要采用粗、精加工并輔以中間去應(yīng)力退火的工藝流程，有效釋放殘余內(nèi)應(yīng)力；另一方面，精加工采用高速切削加工，有效減小切削力和切削熱，尺寸關(guān)聯(lián)的特征盡可能安排在一次裝夾中加工完成，避免多次裝夾引入誤差，合理設(shè)計切削參數(shù)，使材料去除率均勻。

針對電氣板和結(jié)構(gòu)板的連接，擬采用低溫釬焊技術(shù)。重點是保證開放式、臺階狀焊接面的高釬透率(≥85%)和電氣板的位置精度，擬從結(jié)構(gòu)、工藝等方面綜合考慮，提出保證焊接質(zhì)量的工藝手段，將在下文詳細闡述。

2.2 電氣板與結(jié)構(gòu)板精密連接

2.2.1 精密連接方法選擇

電氣板和結(jié)構(gòu)板的常見連接方式有螺釘連接法、導(dǎo)電膠膠接法和焊接法等方式[3]。其中，螺釘連接是最傳統(tǒng)的方法，缺點很明顯。由于電氣板和結(jié)構(gòu)板配合表面并非絕對的平面，不能提供可靠、連續(xù)、一致的連接，此外，螺釘?shù)慕Y(jié)合力很難精確控制。導(dǎo)電膠膠接法與焊接法相比，工藝較為簡單，實施方便，但在接地可靠性、連接強度方面存在不足，且導(dǎo)電膠連接層存在老化風(fēng)險，性能直接受影響。

通過比較，這里采用低溫釬焊的焊接方式實現(xiàn)電氣板與結(jié)構(gòu)板精密連接，滿足駐波損耗小、接地可靠的電訊設(shè)計要求。所涉及的關(guān)鍵工藝問題有開放式、臺階狀配合面的精確定位及大面積焊接面的釬透率提升。

2.2.2 低溫釬焊工藝設(shè)計

焊接方法采用輔助工裝、熱板加熱的方法，具體工藝狀態(tài)如下：選用Sn-37Pb焊料，具有焊接強度較高、應(yīng)力小的優(yōu)點。焊片熔點183 ℃，焊接溫度選擇210 ℃。焊接開始時，緩慢均勻升溫，焊接完成后，緩慢均勻降溫，防止受熱不均變形。采用高溫膠帶保護電氣板表面，防止微帶電路焊接過程中受到損傷。

為了實現(xiàn)開放式、臺階狀配合面的精確定位，采取以下工藝措施：

1)配合面公差控制。針對臺階狀配合面(見圖2中配合面2和配合面3)，特別是配合面3需要實現(xiàn)無縫貼合(如有縫則存在電磁轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)致駐波損失，電氣板側(cè)通過精銑保證其直線度)，控制配合面2的公差很重要，公差太小不能保證配合面3無縫貼合，太大則焊接過程中焊料會大量填充縫隙，導(dǎo)致配合面1可能存在虛焊，影響接地性能。因此，通過試驗，配合面2的公差選擇0.1 mm。

2)定位銷定位。針對開放式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)添加工藝銷釘孔定位，保證焊接前后，電氣板和結(jié)構(gòu)板的相對位置關(guān)系不會發(fā)生變化。焊接完成后，為了減輕重量，可取出銷釘。

3)專用工裝固定。設(shè)計專門工裝固定，上下表面墊平，保證均勻受力，貫穿于整個焊接工藝過程。

為了實現(xiàn)焊接面致密、高釬透率，采取以下工藝措施：

1)鋁材表面改性。為了保證連接處的可焊性，采用鋁表面改性技術(shù)，將局部需要焊接的位置留出，其他表面保護起來，整體進行改性處理(鋁鍍銀)。

2)焊接狀態(tài)優(yōu)化。包括熱板預(yù)熱溫度、焊接溫度、焊接時間等工藝參數(shù)優(yōu)化，使焊料充分流動鋪展。

3)增加透氣結(jié)構(gòu)。大面積焊接，氣泡不易排出，通過在焊接面上均勻增加兩排Φ8 mm透氣孔，除了減重，還有利于排氣、排渣，實現(xiàn)焊面致密。

2.3 質(zhì)量檢測

采用上述制造工藝方法，加工出的結(jié)構(gòu)板和微帶天線單元如圖4所示。經(jīng)檢驗，結(jié)構(gòu)板的尺寸精度和表面質(zhì)量滿足設(shè)計要求，重點關(guān)注的配合面3采用0.1 mm塞尺檢測通過，多路連接器垂直度均在0.1以內(nèi)。針對重點關(guān)注的焊面情況，采用X-ray設(shè)備進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)有少量氣孔離透氣孔一定距離分布，但整個焊面致密，釬透率≥85%，無較大空洞，見圖5。電訊性能測試和評估結(jié)果反映接地可靠、駐波損耗低，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。按照國軍標(biāo)要求，通過了高低溫、振動和機械沖擊等環(huán)境試驗項目。

圖4 結(jié)構(gòu)板和微帶天線

圖5 焊接面X-ray探測情況

3 結(jié)束語

本文針對某復(fù)雜微帶天線單元存在的接地不可靠、駐波損耗大、盲配難等技術(shù)問題，通過分析其結(jié)構(gòu)形式和工藝難點，從整體工藝路線制定和精密連接技術(shù)設(shè)計兩方面，有針對性地提出解決方案。質(zhì)量檢測結(jié)果表明，指標(biāo)滿足實際使用要求，性能穩(wěn)定、可靠，解決了成品率低的問題。目前，該零件已應(yīng)用于某機載雷達產(chǎn)品中，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，本文所述工藝方案對類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微帶天線單元的制造提供了有益參考。

[1] 韋生文, 吳文煜, 孫國清. 多種微帶天線復(fù)合成型工藝技術(shù)研究[J]. 電子工藝技術(shù), 2009, 30(5): 295-297.

[2] 魏星, 槐勝豐. 鋁合金薄壁弧形板的加工制造[J]. 電子機械工程, 2014, 30(1): 40-43.

[3] 林偉成. 電氣板與金屬載體間的大面積焊接及膠結(jié)方法[J]. 現(xiàn)代電子, 2002(4): 52-56.

李 敏(1985-)，男，博士，工程師，主要從事雷達總體工藝設(shè)計工作。

孫曉偉(1986-)，男，碩士，主要從事雷達電子裝聯(lián)工藝設(shè)計工作。

陳奇海(1968-)，男，高級工程師，主要從事雷達總體工藝設(shè)計工作。

Research on Manufacturing Technology of the Micro-strip Antenna of a Radar

LI Min，SUN Xiao-wei，CHEN Qi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The micro-strip antenna of a radar has complex structure, its support plate has an open thin-walled structure with weak-rigidity, and its micro-strip board has a local multi-step structure on the mating face. By conventional manufacturing method, problems of unreliable grounding, large standing wave loss and difficult blind assembly exist, which result in a low rate of finished products. In order to solve the above technical problems, the article presents the corresponding solutions by mainly dealing with overall process route decision and low-temperature soldering process design, to control the deformation effectively and ensure reliable connection between boards. Test results show that the indicators meet the actual requirements, the performance is stable and reliable, and the problem of low production yield is solved. This micro-strip antenna has been used in an airborne radar product.

micro-strip antenna; open structure; process route; low-temperature soldering

2014-09-28

TP957.2；TN805

A

1008-5300(2015)01-0046-03