射頻同軸連接器金帶連接熱應力有限元分析

劉曉陽 許迪 金蓓蓓

摘? 要：在宇航領域微波組件射頻同軸電連接器與微帶板間的互連工藝中，金帶連接作為一種較新的互連方式，兼具焊料硬連接和Ω型跨接片焊接的優點。本文通過有限元模擬的方法，建立金帶包覆焊接模型，計算在不同金帶規格及位置對結構熱應力的影響。結果表明，各組金帶規格、包覆位置在不同溫度載荷條件下金帶上的最大等效應力值都很低，各組數據都遠低于金帶的拉斷強度。金帶包焊通過柔性連接的方式可有效抵消熱失配產生的材料內部應力。

關鍵詞：有限元仿真;金帶連接;電阻焊;射頻同軸電連接器

Abstract：In the interconnection process between the microwave component RF coaxial electrical connector and the microstrip board in the aerospace field，the gold strip connection has the advantages of solder hard connection and Ω-type jumper welding as a relatively new interconnection method. In this paper，the finite element simulation method is used to establish the model of gold strip cladding welding，and the influence of different specifications and positions of gold strip on the heat stress of structure is calculated. The results show that the maximum equivalent stress values of each group of gold strips are very low under different temperature loading conditions，and the data of each group are far lower than the tensile strength of gold strips. Through flexible connection，the metal strip cladding welding can effectively offset the internal stress caused by thermal mismatch.

Keywords：finite element simulation;gold strip connection;resistance welding;RF coaxial electrical connector

0? 引? 言

射頻同軸電連接器是宇航微波領域重要的射頻傳輸元件，廣泛應用于微波通信[1，2]。隨著微波信號頻段的不斷提升，宇航領域微波產品的頻段已覆蓋到X以及Ka波段，對信號傳輸部分的損耗及電壓駐波比也有了更高的要求。射頻同軸電連接器與微帶板之間的連接方式通常有焊料硬連接和Ω型跨接片（可伐鍍金或銅帶）焊接、金帶連接三種方式。傳統的直接焊接信號差損小，駐波較好，但由于常用鋁基殼體與陶瓷微帶板的熱膨脹系數不匹配導致焊點內部在熱循環條件下會產生較大的熱應力，存在較高風險;Ω型跨接片的焊接方式利于釋放熱應力，但在2 GHz以上的頻段會大大增加信號差損，惡化駐波比，同時由于跨接片尺寸較小，手工焊接難以保證焊接質量;金帶連接是通過電阻點焊的方法將金帶與射頻同軸連接器芯線及微帶線上的金鍍層之間焊接，兼具直接焊接和Ω型跨接片焊接的優點，對微波信號傳輸性能影響小、環境適應力強、受熱應力影響小[3]，但相較于前兩種成熟工藝，對金帶連接的研究還不夠全面和深入。本文將通過有限元模擬的方法，對金帶連接的互連結構在高溫及低溫條件下的熱應力情況進行仿真計算，并研究不同金帶規格及位置對結構熱應力可靠性的影響。

1? 有限元模型建立

1.1? 單元選取、簡化假設及模型參數

本文基于有限元分析軟件ANSYS 12.1對模型進行建模和計算。由于微波組件結構復雜，為了提高計算結果的準確性，同時便于仿真計算及實驗驗證，將有限元模型進行合理的簡化，使仿真分析結構接近真實結果。本文進行的相關簡化有：（1）將模型簡化為鋁合金盒體、微帶板基材、微帶線、金帶、射頻同軸電連接器五個部分;（2）忽略電連接器、微帶板、盒體之間的空隙;（3）將微帶板通過緊固件安裝簡化為微帶板與盒體接觸面完全貼合;（4）材料間界面為完全粘接，不考慮焊接時產生的氣孔等缺陷;（5）金帶形狀簡化為橢圓帶狀與電連接器芯線、微帶線相交后形成的最終形狀;（6）由于熱應力主要由電連接器鍍金銅芯、金帶與銅鍍金微帶線之間不同材料的熱失配產生，仿真時不考慮極薄的鍍金層對熱應力的影響。

本文研究的模型采用3D單元。在進行熱力學分析時，各材料采用Solid185三維8節點實體單元，該單元類型每個節點具有3個自由度，具有塑性、超彈性、應力強化、大變形等特點，適用于本文仿真模型的熱應力計算。實物與建模模型如圖1所示。

模型中涉及的各種材料的力學和熱學參數如表1所示[4，5]。

1.2? 模型尺寸及網格劃分

模型尺寸如表2所示。

建模過程分別建立盒體、微帶板、微帶線、SMA連接器外殼、絕緣體和芯線、金帶及其上下側壓痕，最終切割為1/2模型，減少計算量。

為了控制網格密度，網格劃分前使用LESIZE命令對模型進行線劃分（mesh lines）。將模型整體完成線劃分后，再進行體網格劃分。網格劃分采用體掃掠和四面體自由網格劃分相結合的方式，在規則的拉伸體上使用體掃掠使網格規則，網格數量適中、質量高;在不規則的體上采用自由網格劃分，網格通用性更強。對于著重研究的金帶部分增加網格密度，提高計算的準確性。芯線及金帶包焊部位的網格劃分情況如圖2所示。

2? 熱應力計算結果

在熱應力計算中，對模型所有節點施加初始溫度條件作為溫度載荷，分別為-55 ℃、100 ℃，施加重力加速度9.8 m/s2。邊界條件設置為盒體底面在豎直方向為固定約束，并在1/2模型對稱面施加對稱約束。參考溫度設置為室溫25 ℃，該溫度為無熱應力的設定溫度。載荷的施加同樣通過APDL命令流完成。

對仿真結果進行后處理，選擇等效應力（Von Mises Stress）作為材料內部應力強度判據，選擇金帶部位作為考察對象，圖3等效應力云圖是金帶包裹在SMA芯線中部、金帶寬度0.5 mm、厚度12.7 μm、較緊（金帶橢圓半長軸a=0.6 mm）時在高溫100 ℃、低溫-55 ℃時的應力分布情況。由圖3可知金帶上最大等效應力位于微帶線上的鍵合點的邊緣。在高溫和低溫狀態下金帶處的熱應力值很低，最大值在金帶與微帶線鍵合點的邊角處，最大等效應力為0.43 MPa，而金帶的拉斷強度大于118 MPa，因此金帶包覆連接的結構能夠有效降低射頻連接器與微帶線互連部位的熱應力。

通過APDL命令改變模型參數，建立不同金帶寬度、厚度及包覆位置的有限元模型。按前文的載荷施加方式及邊界條件設置，對不同的金帶規格和包焊位置進行熱應力仿真，記錄結果如表3所示。

從仿真計算結果可得，各組參數下金帶上的最大等效應力值都很低，各組數據都遠低于金帶的拉斷強度極限，改變金帶規格和金帶包焊位置對高溫和低溫時的最大等效應力的影響并不大。

3 實驗驗證

根據前文研究結果，使用寬度0.5 mm、厚度12.7 μm的金帶制作三組包覆較緊、芯線中部的金帶包焊焊點，放置于高低溫循環試驗箱中進行溫度循環試驗。試驗溫度設置為-55 ℃～100 ℃，高低溫各保持15 min，升溫速率不大于10 ℃/s，200次循環。試驗后使用顯微鏡對包焊位置進行外觀檢查，并使用拉力測試儀對射頻連接器芯線處上下側焊點、微帶線上的焊點分別進行拉斷力測試，驗證焊接質量。

試驗后的樣品外觀如圖4所示，可看到無脫焊、裂紋等情況，焊點結合良好。焊點拉力試驗結果如表4所示。由試驗結果可知，溫度循環后微帶線和射頻連接器芯線上的鍵合點鍵合質量依然良好，拉斷力遠高于GJB 548B—2005的要求（對應該規格金帶的拉斷力要求大于20 gF），金帶包焊質量穩定可靠。

4? 結? 論

本文通過有限元仿真的方法對微波組件中射頻連接器與微帶線的金帶連接結構在高溫及低溫狀態下的熱應力進行了計算，研究了不同金帶規格、包覆位置下模型的熱應力情況，并制作實物樣品進行高低溫試驗及拉力試驗。仿真及實物試驗結果均表明，不同參數下的金帶連接的結構均能夠有效降低射頻連接器與微帶線互連部位的熱應力。本文的研究成果為射頻同軸電連接器金帶連接技術的推廣和應用提供了理論支撐。

參考文獻：

[1] 姚銀華，徐亞軍，范童修.毫米波同軸微帶低駐波轉換電路設計 [J].通信對抗，2014，33（2）：27-30+34.

[2] 嚴偉，姜偉卓，禹勝林.小型化、高密度微波組件微組裝技術及其應用 [J].國防制造技術，2009（5）：43-47.

[3] 孫乎浩，陳澄，王成.微波組件同軸-微帶連接轉換工藝研究 [J].電子工藝技術，2017，38（5）：276-279.

[4] 胡永芳.SMT焊點的可靠性研究及CBGA焊點有限元分析 [D].南京：南京航空航天大學，2006.

[5] 陳平易.陶瓷壓阻式壓力傳感器的研究及應用 [D].西安：西安電子科技大學，2012.

作者簡介：劉曉陽（1990.11—），男，漢族，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向：半導體工藝。