相控陣雷達天線焊接技術研究

劉志丹，張 飛，趙志平，陳 帥，羅小宇

( 中國電子科技集團公司第二十研究所， 陜西 西安710071)

相控陣雷達具有波形變化靈活、波束掃描快、易于全固態化和輕小型化、可靠性高，容易實現天線共形設計、抗干擾能力強等特點，廣泛地應用于陸基、海基、機載雷達等幾乎所有領域[1，2]。相控陣雷達與其他雷達在外觀上主要區別在于天線陣面的不同，相控陣雷達的天線通常是一個平面，在這個平面內按一定規律分布著許多天線單元，形成電子陣列，通過改變部分單元的相位，雷達的波束就能在一定范圍內進行移動，移動速度快于機械操作[3]。相控陣雷達工作于微波頻段，天線作為其的重要組成部分，對接地和散熱性能以及可靠性都有較高的要求，相比于傳統的螺裝工藝，焊接技術更能滿足其高頻需求。

本文所述的相控陣雷達天線是由陣面殼體、印制板和連接器組成，其裝配主要包括基板的大面積釬焊和連接器的焊接。針對以上兩種焊接技術國內外均有研究，吳昱昆[4]提出了大面積基板的真空回流焊接工藝，解決了基板釬焊過程中助焊劑殘留和釬透率不足等問題，基板釬透率提升到95%以上；王晶[5]采用真空釬焊的方法對微帶板與盒體之間進行了大面積釬焊，釬焊釬透率達到60%以上；王松[6]針對連接器與基板焊接工藝分析，使用感應焊和電阻焊兩個方法實現工藝過程，均能夠滿足焊接要求。針對該天線的焊接，研究了真空釬焊和真空汽相焊兩種焊接技術，使用釬焊工藝完成小型試驗件的微波連接器、基板與陣面殼體的電和機械連接，通過對比研究和分析，最終采用真空汽相焊完成相控陣雷達天線的裝配，焊接效果良好，滿足性能要求。

1 試驗方法

試驗以一種相控陣雷達天線為研究對象，分別使用低溫真空釬焊和真空汽相焊接兩種方式完成多層基板、連接器與陣面殼體的焊接，焊接一次完成。低溫真空釬焊采用真空/ 可控氣氛共晶爐GJL-2023（如圖1 所示），真空汽相焊采用Condens XM 焊接設備（如圖2 所示）。

陣面殼體基材選用鋁合金材料，表面鍍銀，厚度約為4.5 mm，多層基板焊接面鍍金，基板整體厚度約為5 mm，其中多層基板與天線陣面殼體之間焊料選用厚度為0.1 mm 錫鉛焊片，連接器與天線陣面殼體的焊料為預成型錫鉛焊環，整個組件裝配如圖3 所示。釬焊完成后，使用X 射線檢測儀檢測基板和連接器釬透率，使用專用工裝對連接器進行插拔，檢測其焊接是否牢固。

圖1 真空/ 可控氣氛共晶爐

圖2 真空汽相焊設備

圖3 裝配示意圖

2 試驗及結果分析

相控陣雷達天線的焊接類似于基板與接地板的大面積焊接，常規焊接方法包括熱臺焊接、低溫真空釬焊、回流爐焊接等。熱臺焊接操作簡單，無保護氣氛，釬透率低且難以保證焊接質量；低溫真空釬焊可精確控制工藝曲線，操作簡便，焊接一致性較好，并且能保證良好的釬透率，對焊接表面質量要求較高，生產效率低；回流焊可提供保護氣氛，生產效率高，但其釬透率較低，并且針對較大組件升溫困難，傳送帶承重能力有限。真空汽相焊作為一種新型的焊接方式，具有加熱效率高，最高溫度可控等顯著優點，但國內外對其研究有限，并且溫度曲線無法實測，更容易引發立碑缺陷、汽相液滲漏等不利因素，這些都影響了真空汽相焊的應用和推廣[4-7]。汽相焊的缺點主要針對印制板組件，對于基板焊接不會帶來不良影響。為了保證良好的焊接質量，本次試驗主要研究低溫真空釬焊和真空汽相焊兩種焊接方法。

2.1 低溫真空釬焊

低溫真空釬焊是基板焊接的常見工藝，其工藝過程是將待焊部件、焊料及相應工裝放置于低溫真空釬焊設備（試驗使用的是真空/ 可控氣氛共晶爐）中，加熱至焊料熔化，焊接表面形成金屬間化合物，從而實現焊接。試驗使用的GJL-2023共晶爐，其焊接過程示意圖如圖4 所示，通過PLC(可編程控制器) 控制設定的溫度與氣體流量，石英管輻射使加熱板升溫，加熱板與焊接組件接觸傳熱達到設定溫度完成焊接過程，整個過程可以在真空或者保護氣氛下進行。

圖4 真空/ 可控氣氛共晶爐焊接示意圖

試驗采用的低溫真空釬焊的工藝曲線如圖5所示，整個組件加熱時間約為600 s。初始預處理階段，通過進行多次抽真空、充氮氣，減少爐腔內氧氣和水汽含量；升溫至一定溫度，進入預熱階段，使得焊接表面溫度均勻，并且達到助焊劑活化溫度，去除表面氧化物，促進焊料潤濕；溫度進一步上升，進入焊接階段，并抽真空，峰值溫度設定為220 ℃，保溫一段時間完成焊接；焊接完成后充氮氣快速降溫冷卻。焊接過程接近焊料熔點時抽真空，有利于減少鋪展過程中形成的空洞[8]。

對焊接后樣品進行X 射線檢測，其結果如圖6 所示。試驗階段只裝了16 個連接器，底部焊片面積也并未完全覆蓋，因此只統計連接器周圍的空洞率，空洞率約為50%左右，基板焊接效果較差，連接器焊接效果良好，并未發現貫穿性空洞。分析其原因，鍍銀器件容易發生氧化，焊接面狀態較差，焊片和被焊接件表面的氧化層未能完全有效地去除，從而影響了焊接釬透率；為保護插針，放置了墊板，墊板先接觸熱板，接著是多層介質板和陣面殼體，整個組件厚度將近10 mm，組件溫度升溫緩慢，導致焊接效果較差。

圖5 低溫真空釬焊工藝曲線

圖6 X 射線檢測結果

低溫真空釬焊可以提供真空或保護氣氛環境，抑制釬焊過程中焊料與焊接面的氧化，還可通入甲酸等還原氣氛去除表面的氧化層，能保證一個較高的釬透率，其對組件焊接表面的潔凈度有較高的要求[4]。相比于基板、盒體焊接，共晶爐焊接更適合于功率芯片的共晶焊接，共晶芯片和載體的焊接面一般為鍍金，使用的焊料也多為金錫等高溫焊料，焊接表面狀態潔凈并良好，使用共晶爐焊接芯片能實現90%以上的釬透率[9]，通過嚴格控制工藝參數空洞率能控制在1%以內[10]。本試驗件殼體采用鍍銀，容易氧化，表面狀態差，使用的共晶爐焊接難以保證其釬透率，有必要采取其他焊接方式。

2.2 真空汽相焊

汽相焊接又叫凝熱焊接，它是一種利用飽和蒸汽為傳熱介質、用汽化潛熱來加熱物體從而達到焊接溫度的焊接方法。其焊接過程示意圖如圖7 所示，進行焊接時，對密封爐腔內定量的惰性液體介質即汽相液（通常是PFPE）進行汽化處理，蒸汽冷凝放熱，將熱量有效傳遞到待焊組件上，介質溫度保持不變，通過控制蒸汽的量控制焊接過程的溫度。同時汽相焊傳熱速率高，可以使復雜結構的組件均勻加熱升溫，所有部件均能同時達到焊接溫度，并且最高溫度焊接就是汽相液的沸點，溫度易于控制，不會產生過熱現象[11]。

圖7 真空汽相焊接示意圖

真空汽相焊的工藝曲線如圖8 所示，通過控制注入汽相液的用量和時間控制焊接溫度曲線，整個組件加熱時間約為360 s。初始預處理階段進行抽真空，真空環境下有利于汽相液的均勻注入；注入汽相液后，組件升溫，為預熱階段，助焊劑發揮作用；第二次注入汽相液，升溫至焊接溫度，在焊接階段抽真空，保溫一段時間完成焊接；焊接完成后抽出汽相液，進行降溫冷卻。

汽相焊是非接觸傳熱，溫度場分布均勻，將焊片、焊環、連接器、基板、墊板裝配完成如圖9(a)所示，焊接完成后組件外觀如圖9(b)所示。表面鍍銀層未發生明顯氧化，連接器均焊接至陣面殼體上，使用萬用表測量連接器內導體均未短路，使用專用工裝插拔連接器，連接器焊接牢固。

圖8 真空汽相焊的工藝曲線

圖9 試驗件外觀

對焊接后樣品進行X 射線檢測，如圖10 所示，發現右側焊接空洞率較低，部分區域基本完全釬透，只存在細小空洞，組件中部焊接效果略差，即使焊接不良區域，釬透率也能達到50%以上，焊接空洞率低于共晶爐焊接試樣，組件整體釬透率達到75%以上，連接器處未發現貫穿性空洞。

圖10 X 射線檢測結果

采用真空汽相焊的試驗件焊接效果良好，后期加電調試，符合設計性能要求。真空汽相焊為無氧環境，在惰性的汽相蒸氣中，使用了助焊劑，有助于焊料潤濕和去除焊接表面氧化物，使表面的初始狀態更“敏感”，焊料熔化并潤濕焊盤，增加了焊料的潤濕速度，有助于焊料的鋪展，使組件空洞率明顯下降。該焊接設備支持最大尺寸650 mm×650 mm×150 mm，焊接支持最大承重10 kg，滿足天線陣面焊接尺寸。

通過試驗，發現針對此類結構組件真空汽相焊的焊接效果優于低溫真空釬焊，確定使用汽相焊并配合相應焊接工裝，優化工藝參數，完成相控陣雷達天線的焊接。

3 相控陣雷達陣面天線的真空汽相焊接

本文研究的相控陣雷達天線陣面尺寸約為350 mm×350 mm，印制板尺寸約為350 mm×160 mm，共有1 280 個連接器，陣面殼體材質為鋁合金，采用3D 打印工藝完成，內部含有流道，整體鍍銀，外觀如圖11 所示。天線陣面結構復雜，成本較高，并且體積較大，難以返工，為保證焊接成功率，設計相應工裝輔助定位，保護插針。

精密的焊接夾具，有助于提高焊接位置精度，提高焊接一致性。工裝分為墊塊與壓塊兩部分，墊塊為鋁制，已用于試驗件焊接，保護插針并輔助定位，壓塊為銅制鍍鎳，提供焊接壓力，保證連接器底部與外殼壓緊，方便后續對接天線單元，整個焊接過程裝配示意如圖12 所示。

圖11 天線陣面外觀

圖12 工裝裝配示意圖

參照試驗件焊接溫度曲線，提高汽相液的注入量，并延長保溫時間。焊接完成后天線正面如圖13所示，連接器、印制板均與殼體焊接牢固，表面發生了部分氧化，表面質量較試驗件差。這可能是由于正樣采用3D 打印表面狀態與試驗件不同，鍍銀表面在焊接過程中更容易發生氧化。用專用工裝對所有連接器進行插拔測試，連接器未發生脫落；使用萬用表測試連接器內導體，均未發生短路。

圖13 焊接完成后天線

X 射線檢測結果如圖14 所示，陣面整體尺寸過大，對部分照片進行分析，圖中顯示出8 個焊接部位，除最右側2 個焊接部位，釬透率在95%以上，有些部位只存在少量內部小空洞，最右上角部釬透率也能達到90%以上，右下角釬透率較差約為75%，整體釬透率達到90%以上，大面積接地焊接效果良好，連接器焊接處也未發現貫穿性空洞。

圖14 X 射線檢測結果

真空汽相焊的核心是將汽相液汽化后形成蒸汽來對焊料進行熱交換，使焊料熔化而再次流動浸潤，通過控制焊接倉內蒸汽密度變化來改變升溫速率，并通過真空焊接環境減少空洞、錫珠、助焊劑污染等缺陷。研究發現，針對大尺寸、大質量的基板與連接器焊接，特別是類似于相控陣雷達天線陣面，采用真空汽相焊能達到良好的焊接效果。

4 結束語

通過研究低溫真空釬焊和真空汽相焊兩種焊接方法，完成了相控陣雷達天線試驗件的裝配，發現2 種方式對于連接器焊接效果良好，均未發現貫穿性空洞，對于大面積基板焊接，低溫真空釬焊只有50%左右的釬透率，而真空汽相焊能保證75%以上的釬透率。通過研究和分析，選用真空汽相焊完成最終產品的焊接，設計焊接工裝，優化工藝參數，焊接后釬透率能達到90%以上。真空汽相焊適合于大面積基板焊接，可有效解決大尺寸、大質量組件的焊接難題，為此類結構的產品焊接提供了實用的工藝途徑。