微波模塊的三防設計

趙樹偉

（中國電子科技集團公司 第四十一研究所,山東 青島266555）

0 引言

微波模塊應用范圍越來越廣泛，使用環境越來越復雜，對產品在各種條件下工作的穩定性和可靠性要求越來越高。高頻微波模塊對惡劣的環境反映非常敏感，如果防護不當隨著微波電路腐蝕的緩慢進行，電路性能逐漸惡化，頻率向下漂移，增益下降，噪聲增大，帶寬變窄及輸出功率變小等。微波模塊的三防性能已成為重要的技術指標之一，它已不單純是一項工藝技術的實施，而應當涉及到材料、元器件、電路、結構、工藝和綜合性技術管理等多方面的工作[1]。

1 微波模塊三防設計的現狀

根據統計，微波模塊失效的案例中80%是由于設計不當造成的，加工或工藝問題只占不足20%。目前在功能模塊的三防設計中，往往缺少完備的設計規范，都是在憑經驗進行，具有很大的隨意性。部分沒有經過充分試驗論證的新技術、新工藝、新材料被引入新產品的設計中，無法與產品的整個結構形成良好的匹配，致使產品的三防性能大大降低。

產品的三防性能是設計出來的，如果不重視三防設計，單純強調工藝防護，必然是先天不足，后患無窮，甚至導致整個產品或系統失敗[2]。為了使產品在惡劣環境下正常工作，結構設計人員必須詳細了解產品的工作環境條件及其影響，將三防設計納入到產品的功能設計之中，避免單純的工藝防護和事后的補救措施。根據產品的工作環境條件的性質，影響因素的種類，作用強度的大小來采取相應的三防措施，設計合理的防護結構。

2 微波模塊的三防設計技術

目前,普通電子產品中的印制電路板和金屬結構件表面普遍采用了涂覆有機涂層的方法提高產品的三防性能，進一步防止基體材料受到腐蝕。涂覆有機涂層是迄今為止最有效、最經濟和最普遍采用的方法[3]。但是高頻微帶電路進行涂覆處理比較困難，會帶來一些負面影響：增加原有電路的分布參數；改變微帶的感量；導致頻率漂移；使輸出功率下降等。高頻微波模塊的三防要求高、難度大，設計過程中必須統籌兼顧材料的優選、合理的結構設計、鍍層的選擇、規范的裝配程序等等措施，并將其有機結合起來，形成可靠的三防體系。

2.1 材料優選

優選經認證或經多年實踐證明是可靠的金屬材料和非金屬材料，對選用的新材料特別注意考慮其可靠性和工藝穩定性。關鍵的結構件或者易產生腐蝕的部位宜選用耐腐蝕材料。

目前，由于鋁合金與銅合金優良的導電性、良好的可加工性和經濟性，在微波模塊的屏蔽盒和腔體中被廣泛使用。通常情況下鋁合金防腐蝕性能按照：純鋁、防銹鋁、鍛鋁、壓鑄鋁、硬鋁順序依次遞減。在濕熱環境下應用硬鋁2A12的加工件要非常慎重，必須采用陽極氧化結合有機涂層的防護措施。為控制腐蝕，建議優選Al-Mn,Al-Mg系防銹鋁（LF）或者鍛鋁（6061或6063），無承力要求及高導電的結構件可選用純鋁。其中6061—T651是一種經熱處理預拉伸工藝生產的高品質鋁合金，具有良好的抗腐蝕性能，無應力腐蝕破裂傾向，可以應用于潮濕和海水介質中，再配合適當的鍍涂，完全能夠滿足實際使用的需要。

黃銅有良好的可切削性和力學性能，對一般腐蝕有良好的穩定性，在大氣和海水中比純銅耐腐蝕，在微波模塊中被廣泛用來制作腔體。鈹青銅的綜合力學性能良好，在大氣、淡水和海水中抗腐蝕性極佳，常用來制作微波模塊中的彈性元件和耐磨元件。

可伐合金4J29在20～450℃范圍的線膨脹系數與硬玻璃和陶瓷相近，可以實現玻璃絕緣子和微帶電路的良好封裝匹配。對于生命周期長，環境溫差大的高頻微帶電路使用可伐合金代替黃銅進行封裝，可以提高產品的可靠性。

選用非金屬材料時，表面電阻、介電常數、損耗系數等所需指標在整個頻帶和溫度范圍內必須保持穩定。此外宜選用低吸潮、耐霉菌、無腐蝕性氣氛逸出以及與相鄰金屬無接觸腐蝕的材料。

2.2 結構合理

由于成本的關系，還不能大量使用耐腐蝕性材料，但合理的結構設計可以防止或減少材料的腐蝕。

1）表面結構應盡量簡潔、流暢、過渡圓滑，防止零件局部受熱和應力集中。

2）在可能積水和留存濕氣的空間，應開設排水孔和通風孔。

3）避免凹槽、盲孔、縫隙，以防使腐蝕性介質滯留和聚集。盲孔的存在會導致孔內腐蝕性液體難以清洗干凈，不僅污染鍍液，還會對鍍層質量有不良影響。因此，設計中應盡量減少盲孔結構。如螺紋底孔采取通孔方式。

4）長期戶外工作的大型模塊應盡量避免氣密設計，因為氣密設計一旦失效，腔內會由于日曬氣體逸出，當夜晚氣溫下降時會進入濕氣，周而復始內部產生積水，使電子設備受潮失效[4]。氣密結構還會引起設備散熱困難和維修的不方便，一般可將易受環境因素影響的元器件、零部件進行單獨密封。

5）盡量選用同種金屬或者電位差小的不同金屬直接接觸，以防電偶腐蝕，不可避免時，可以選用兩種金屬都允許接觸的金屬墊片或者鍍層進行過渡，關鍵零件應選用陰極材料制作。當緊固件（如螺釘等）與被連接件不允許接觸時，可以選用絕緣密封墊圈進行密封。

6）銀遷移是電子產品的特殊腐蝕問題，在高電位差和潮濕氣氛中，銀可以遷移穿過絕緣層，造成絕緣材料性能下降甚至引起短路。通過合理的結構設計完全可以預防：避免緊靠的兩路電路間電位差過高，對存在電位差的兩路電路加大相互距離。

7）避免導電密封襯墊和導電膠粘劑帶來的電偶腐蝕和銀遷移而引起的短路等問題。導電密封襯墊必須是完整閉合的，不可以拼接，壓縮量應為18%～25%。合理設計安裝槽，防止襯墊壓縮后“過容”。涂抹導電膠前，腔體表面清潔無污染，且一定要徹底固化后再封裝。

2.3 合理的表面處理和工藝防護

為滿足高頻微波模塊表面電阻低，電導率高的要求，鋁合金零部件宜鍍銀，銅、可伐合金宜選擇鍍金。對于鋁制屏蔽盒類零件可以采用化學導電氧化處理作為減緩電偶腐蝕的一項輔助措施。

鋁件鍍銀時必須使用鋁絲拴掛，防止其他金屬和鋁基體發生置換，導致拴掛附近鍍層結合力不良。薄的銀鍍層多孔，在潮濕環境下與基體鋁會產生電偶腐蝕，建議銀鍍層厚度達到8～15微米。沒有鎳底層的銅合金零件鍍銀或以銅為底層的鍍銀零件不能在148℃以上連續工作，否則將會生成具有脆性的銀與銅的低熔擴散物，影響銀鍍層與銅底層的結合力[5]。

機加工完成后立即進行清洗是最容易清洗干凈的，零件表面清洗干凈以后，最外層就是潔凈的金屬基體，很容易與空氣中的塵埃、水氣反應。即時清洗之后的各道表面處理工序必須迅速進行，防止工件表面被污染或者產生氧化層。

黃銅腔體鍍金前可以進行微細噴砂處理，有效清除表面氧化物，提高表面清潔度，清除基體表面的裂縫、毛刺等缺陷。我們將同一批次腔體分別采取微細噴砂后鍍金和直接鍍金后進行中性鹽霧試驗，從表1可以看出微細噴砂后鍍金質量大大提高。

表1 微細噴砂的對比試驗結果

2.4 裝配過程控制

裝配過程中禁止赤手接觸零部件，裝配人員必須佩戴防靜電手套和指套，微帶片應使用鑷子進行夾取。

目前，關鍵微波模塊裝配過程中采用密封的方法有膠粘劑密封、襯墊密封、真空燒結、軟釬焊密封、激光封焊和平行封焊等。對于密封性要求高的模塊，要達到氣密水密要求，需要綜合選用真空燒結、軟釬焊、激光封焊和平行封焊。如射頻I/O絕緣子采用真空燒結，饋電控制絕緣子采用高頻感應軟釬焊（如圖1所示），腔體和蓋板可用激光封焊或者平行封焊，對于密封性要求不高的模塊，可選用膠黏劑或襯墊密封等成本較低的密封工藝。為兼顧可靠性和方便維修，可采用低溫釬焊的封裝方法。

圖1 玻璃絕緣子釬焊示意圖

由于導熱率較高，銅鍍金的腔體采用激光封焊難度較大，可采用真空或惰性氣體氣氛中釬焊，封蓋后腔體漏率≤1×10-8(Pa×cm3)/s國軍標要求，可較好滿足氣密性要求。可伐合金腔體宜選用平行封焊。

3 結束語

通過以上分析可以看出，正確地選用材料是三防設計的基礎，合理地結構設計是微波模塊三防設計的關鍵環節，恰當的表面處理和封裝工藝是三防措施長期有效的保障。隨著技術進步，高頻微波模塊對環境適應性提出了更高的要求，結構和工藝設計人員還需要深入研究新材料、新工藝和新結構，不斷提升產品的三防性能。

［1］謝義水.艦載電子設備的三防設計[J].機械工程學報，2007，43（1）：83-86.

［2］范民，周廣宴.軍用電子設備整機三防技術研究[J].裝備環境工程，2009，6（4）：72-75.

［3］劉欣，劉繼芬.三防技術分析與應用[J].電子工藝技術，2010，31（6）：354-357.

［4］馬驂.三防設計技術[J].電訊技術，1996，36（4）：5-20.

［5］李金桂，趙閨彥.腐蝕和腐蝕控制手冊[S].北京：國防工業出版社，1988：410-411.