某天線裝配焊接技術(shù)攻關(guān)

譚小鵬

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

1 某天線裝配概述

隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、高密度及多功能化方向發(fā)展，線路板上的元件組裝密度和集成度越來越高，功率消耗越來越大，這就要求線路板基板的散熱性非常良好，金屬基板優(yōu)良的導(dǎo)熱性能恰好滿足這種要求[1]。某天線采用鍍銀金屬基板，長140 mm、厚6 mm的正方形陣面。背面要裝配128個(gè)SMP-JHD1絕緣子；正面由橫豎18條微帶板組裝網(wǎng)格，經(jīng)過電裝后成為一體，電裝要求微帶板背面和鍍銀金屬板面焊接在一起，微帶板印制線條面和絕緣子芯針焊接在一起，且不能和鍍銀金屬板短連。

微帶板示意圖詳見圖1，及電裝后示意圖詳見圖2和圖3。

前期預(yù)研階段的電裝任務(wù)放在外協(xié)單位加工。但是由于外協(xié)廠家電裝能力不足造成鍍銀基板變色，以及焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。經(jīng)了解得知，外協(xié)廠家技術(shù)人員先將128個(gè)Φ4 mm絕緣子采用預(yù)熱臺加熱后錫焊，因溫度不均造成部分區(qū)域溫度過高，導(dǎo)致鍍銀基板變色；正面井字形微帶板的裝配采用逐一裝配焊接，焊接采用電烙鐵加預(yù)熱臺輔助，由于微帶板下端印制線與絕緣子插針焊接位置狹小，還特意更換了小的電烙鐵頭，但由于焊錫不均勻造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

圖1 微帶板示意圖

圖2 電裝示意圖正面

圖3 電裝示意圖背面

分析失敗的原因如下：

（1）采用預(yù)熱臺無法準(zhǔn)確控制溫度，絕緣子表面的焊錫是否全部熔化不得而知；同時(shí)因溫度不均還造成鍍銀基板變色。

（2）基板屬于大面積接地，鋁材質(zhì)熱損失大，即使使用了預(yù)熱臺，采用烙鐵焊接焊錫仍不易熔化，工人不停的補(bǔ)錫導(dǎo)致焊接失敗，僅焊接第2條微帶板就出現(xiàn)了質(zhì)量問題。

（3）每個(gè)絕緣子的插針與基板圓孔四周有0.8 mm的間隙，若手工焊接錫量控制不均勻，很容易造成短路。

此項(xiàng)目電裝難點(diǎn)如下：

（1）要提高128個(gè)Φ4 mm絕緣子的裝配效率及裝配精度；

（2）陣面天線基板厚度達(dá)6 mm，散熱快，溫度場不均勻；

（3）天線結(jié)構(gòu)緊湊，微帶板裝配困難，需要優(yōu)化微帶板結(jié)構(gòu)和裝配過程；

（4）需要控制微帶板印制線上的錫膏厚度；

（5）采用回流焊技術(shù)，分別測試絕緣子和微帶板的不同焊接溫度曲線，固化工藝參數(shù)；

（6）焊接后鍍銀基板不能變色，絕緣子和基板不能短路，微帶板接地線和基板不能斷路。

2 裝配方案設(shè)計(jì)

2.1 絕緣子裝配方案

2.1.1 單個(gè)涂覆錫膏裝配

器件直徑為4.2 mm，外表光滑，手持絕緣子涂覆錫膏操作困難。為了解決涂覆錫膏難、裝配效率低的問題，結(jié)合絕緣子的形狀（圖4），設(shè)計(jì)了一種專用工裝。

圖4 SMP-JHD1絕緣子

此工裝材料為銅，長100 mm，頂部與絕緣子內(nèi)部采用緊配合，將絕緣子裝上后，可360°進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，錫膏很容易涂抹。裝配時(shí)，將涂抹完焊膏已插上工裝的絕緣子插入基板上的安裝孔，定位后取出工裝，逐一操作。

工裝的使用，解決了裝配絕緣子難的問題，最關(guān)鍵的是保證了絕緣子能準(zhǔn)確的裝配，此環(huán)節(jié)不觸碰插針、使插針歪斜的可能性降到了最低。

2.1.2 多個(gè)涂覆錫膏裝配

在批量較小階段可以采用逐個(gè)涂覆錫膏裝配絕緣子，數(shù)量較多情況下可以改進(jìn)工裝，設(shè)計(jì)一次性裝入多個(gè)絕緣子，涂覆、裝配。工裝的開孔尺寸和孔距與基板一一對應(yīng)，每個(gè)工裝孔位的尺寸與絕緣子做到0.01 mm的間隙配合。操作時(shí)先將絕緣子逐個(gè)放入工裝，與工裝緊配合定位，絕緣子裝入后比工裝平面高出1 mm,以防涂抹錫膏過程中多余的焊膏污染工裝。固定后使用鋼針進(jìn)行涂覆，將工裝連同連接器180°翻轉(zhuǎn)對準(zhǔn)基板孔位，裝入，由于每個(gè)連接器重量僅零點(diǎn)幾克，靠著間隙配合及連接器和工裝表面摩擦力，保證了翻轉(zhuǎn)后連接器不會掉落。工裝設(shè)計(jì)和制作如圖5。

圖5 工裝及裝配過程

2.1.3 選擇焊料環(huán)進(jìn)行焊接

絕緣子的焊接除了采用錫膏，焊料環(huán)也是一種很好的選擇，省去了涂抹錫膏這道工序。根據(jù)絕緣子形狀選擇內(nèi)徑2.6 mm、外徑4.1 mm、厚0.1 mm的Sn63Pb37焊料環(huán)，將焊料環(huán)依次裝入基板安裝孔內(nèi)，再逐一將絕緣子放入，在數(shù)量較大，任務(wù)緊的情況下采取焊料環(huán)焊接是最佳的選擇。

2.2 微帶板錫膏厚度的解決方案

2.2.1 手工涂抹

外協(xié)廠家采用長針蘸取焊膏逐一涂抹到微帶板焊盤的方法，因人工涂抹不能保證錫膏的厚度，過薄會出現(xiàn)開路，過厚會出現(xiàn)短路，而且錫膏量也沒法控制，所以手工涂抹錫膏這一方法不能應(yīng)用于此項(xiàng)目。

2.2.2 鋼網(wǎng)印刷

此天線的高密度裝配需要對微帶板的焊錫量進(jìn)行嚴(yán)格控制，為了準(zhǔn)確的控制錫膏厚度，目前采用鋼網(wǎng)印刷錫膏是最有效可行的手段。目前最常規(guī)的鋼網(wǎng)厚度是0.15 mm，此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種厚度的鋼網(wǎng)：0.1 mm、0.12 mm、0.15 mm，通過印刷及焊點(diǎn)狀態(tài)來判斷最合適的鋼網(wǎng)。0.10 mm、0.12 mm的鋼網(wǎng)錫量較少，焊錫包裹插針錫量較小，0.15 mm的鋼網(wǎng)印刷的錫膏量及焊點(diǎn)飽滿程度最適合。

2.2.3 自動鋼網(wǎng)印刷

此次預(yù)研項(xiàng)目微帶板數(shù)量不多，可以采取手工印刷。而批產(chǎn)需要采用自動印刷技術(shù)。使用自動印刷，需要制作一個(gè)專用工裝板，將三片微帶板放在上面并且完全嵌入，工裝板的厚度不能大于0.5 mm，尺寸需要和鋼網(wǎng)進(jìn)行配合設(shè)計(jì)。

2.3 井字形微帶板裝配

2.3.1 交叉裝配

18片微帶板的裝配成井字形的難度很大，且基板裝配密度大，操作空間狹小。采用微帶板交叉裝配方案，如圖2所示，可以使每個(gè)微帶板在固定在基板的同時(shí)互相再一次固定，穩(wěn)固性更好。微帶板在裝配的時(shí)候需與基板有45°的斜角插入，對準(zhǔn)后再扶正、卡緊，觀察裝配效果良好。

2.3.2 平行裝配后交叉

平行裝配微帶板后再逐一交叉裝配的方案，會使之前已經(jīng)裝好的微帶板全部重新調(diào)整位置，包括與插針的基礎(chǔ)面會有不斷移動，易產(chǎn)生錫膏拖拉等現(xiàn)象，所以本次試驗(yàn)未采取此方案。

2.4 溫度曲線的設(shè)置

溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵[2]，在回流焊機(jī)過程中，溫度是很重要的工藝參數(shù)，包括溫度的均勻性及升溫速率等。升溫速率過快，易導(dǎo)致焊料預(yù)熱過早或焊料飛濺、引起焊接疲勞、造成可靠性降低；升溫速率過慢，導(dǎo)致助焊劑揮發(fā)、活性降低，引起虛焊或焊接不良等缺陷。

一條完整的焊接溫度曲線一般設(shè)計(jì)為四個(gè)區(qū)：預(yù)熱區(qū)、加熱區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)。因此，焊接溫度曲線的設(shè)計(jì)就是根據(jù)不同的輸入條件對四個(gè)溫區(qū)設(shè)置合適的參數(shù)，達(dá)到最佳的焊接效果[3]。

2.4.1 焊接絕緣子的溫度設(shè)置

試驗(yàn)將熱電偶探針固定在絕緣子與基板孔內(nèi)之間的部位，用高溫膠帶固定。天線在未抹焊膏的情況下進(jìn)入回流焊爐測試，調(diào)整回流焊爐的各區(qū)溫度后發(fā)現(xiàn)：無論如何設(shè)定各溫區(qū)的溫度，實(shí)測曲線不能與理想溫度曲線擬合，存在一定差異。分析發(fā)現(xiàn)，理想曲線針對的是常規(guī)印制板焊接器件過程，印制板的導(dǎo)熱性、吸熱性較差，所以在升溫階段可以呈現(xiàn)階梯狀，而本次試驗(yàn)中的鋁合金基材導(dǎo)熱率、吸熱量比印制板要高很多，所以曲線的升溫階段幾乎是一條直線，無法呈現(xiàn)階梯狀。

采用回流焊接，關(guān)鍵是設(shè)定回流爐的爐溫曲線[4]，為了得到適合鋁合金基材與絕緣子焊接的溫度曲線，利用溫度曲線測試儀，經(jīng)多次測量并進(jìn)行回流爐參數(shù)修改，最終設(shè)定絕緣子的焊接的曲線。

回流爐各溫區(qū)的參數(shù)設(shè)置詳見表1。

回流爐中峰值溫度設(shè)置為275℃，而實(shí)際測得鋁合金表面的峰值焊接溫度是214℃，滿足峰值溫度推薦的210℃～225℃。通過錫鉛合金熔點(diǎn)溫度時(shí)間為50 s，且焊料熔點(diǎn)的“尖端區(qū)”覆蓋面積很小[5]，已滿足溫度曲線回流區(qū)設(shè)計(jì)原則。

表1 回流爐各溫區(qū)溫度設(shè)置

2.4.2 微帶板焊接溫度設(shè)置

微帶板的焊盤和絕緣子均外露，對其表面用熱電偶進(jìn)行測試，需要的溫度較絕緣子低，和普通印制板焊接溫度相似?；亓鳡t各溫區(qū)的參數(shù)設(shè)置詳見表2。

表2 回流爐各溫區(qū)溫度設(shè)置

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

（1）采用單個(gè)工裝在絕緣子凸臺面涂覆錫膏，逐一將128個(gè)絕緣子裝配到位，用放大鏡檢查已裝配的插針有無歪斜情況；確認(rèn)全部插針正確裝配后，使絕緣子尖端朝下將鋁基板放在聚四氟乙烯板上，調(diào)用絕緣子焊接溫度曲線，使零部件通過回流焊爐，然后自然冷卻。

（2）采用0.15 mm厚鋼網(wǎng)手工逐一印刷18片微帶板，采用45°斜角插入的交叉裝配方式進(jìn)行裝配，將18片微帶板裝配成井字形并準(zhǔn)確定位；采用微帶板焊接溫度曲線通過回流焊爐焊接微帶板，第二次通過回流焊的溫度低于第一次通過回流焊的溫度，所以已焊接的128個(gè)絕緣子不會發(fā)生焊錫重融甚至脫落現(xiàn)象。

（3）待其自然冷卻，用高倍放大鏡觀察插針與微帶板的焊接情況，焊接成品如圖6所示

圖6 焊接成品

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檢查焊接成品，基板鍍銀面沒有變色；每一個(gè)插針與微帶板焊接良好，錫量控制良好，沒有形成錫包；沒有發(fā)現(xiàn)多余錫膏與側(cè)壁相連的情況；經(jīng)設(shè)計(jì)測試，沒有發(fā)現(xiàn)短路現(xiàn)象；井字形微帶板裝配焊接緊固。工藝方案及方法的改變，成功攻關(guān)了此天線的裝配，達(dá)到設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。