微波組件軟釬焊中的阻焊工藝研究

賈伏龍，崔洪波，陳 梁

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇 南京 210000)

微波組件廣泛應(yīng)用于艦載、彈載、航空航天等高端電子通信領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前組件呈現(xiàn)高度的集成化、模塊化趨勢(shì)，為了提供同樣高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品，降低成本，提高生產(chǎn)效率，對(duì)制造工藝水平提出了較高要求。目前軟釬焊技術(shù)越來越多地用于微波組件的制造中，在電路板和金屬襯板的大面積接地焊接，I/O接插件、微波器件、殼體等的軟釬焊連接中替代傳統(tǒng)的螺裝方式，為產(chǎn)品的小型化、輕量化、高可靠提供了實(shí)用的工藝手段，能較好地適應(yīng)高頻微波電路的要求[1-4]。然而在軟釬焊時(shí)，由于液態(tài)焊料良好的流動(dòng)性致使焊料很容易流淌到非焊接區(qū)域，甚至是其他功能區(qū)內(nèi)，例如：1)電路板和金屬殼體有一些后續(xù)安裝走線用的螺紋孔或通孔被焊料潤(rùn)濕，從而不能安裝；2)焊料溢到芯片安裝孔、微波絕緣子孔等需要刮除，生產(chǎn)效率低下，同時(shí)刮除操作破壞鍍層，對(duì)后續(xù)焊接質(zhì)量造成不良影響；3)微波接插件內(nèi)導(dǎo)體和電路板微帶后續(xù)需要金絲鍵合，如果被焊料污染則無法鍵合；4)用戶對(duì)微波組件外觀的高要求，需保證非焊接區(qū)域不能被焊料污染[5]。所以研究有效的阻焊工藝是非常迫切和有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 阻焊機(jī)理

在軟釬焊過程中，熔化的焊料首先需在焊接部位完成潤(rùn)濕和鋪展，此時(shí)焊料與金屬母材之間會(huì)發(fā)生相互溶解和擴(kuò)散，從而形成金屬間化合物，而阻焊則是避免焊料和金屬母材之間相互反應(yīng)，防止焊料潤(rùn)濕非焊接區(qū)域。通?？刹捎靡环N耐高溫的阻止焊接的涂料，使它在非焊接區(qū)周圍形成一層阻焊膜，把不需要焊接的部位保護(hù)起來，以起到阻焊的作用[6]。目前應(yīng)用最廣的阻焊保護(hù)膠為波峰焊接過程中防止特定部位上錫的涂料，主要成分為橡膠、二氧化鈦和纖維素衍生物[7]。該阻焊膠短時(shí)耐溫達(dá)280 ℃，但是耐持續(xù)焊接高溫性能較差。本試驗(yàn)引進(jìn)了一種改進(jìn)型阻焊膠替代常規(guī)阻焊膠，該膠是以環(huán)氧樹脂為主要原料，添加無機(jī)填料與胺系固化劑制成的熱固化型阻焊膠，以期解決常規(guī)阻焊膠應(yīng)用于微波組件焊接面臨的諸多問題。

2 阻焊工藝的特殊要求

微波組件軟釬焊的阻焊工藝難點(diǎn)在于阻焊膠的選擇，在實(shí)際應(yīng)用中有其特殊要求。

2.1 阻焊膠的涂敷

微波組件軟釬焊中阻焊膠的應(yīng)用情況比較復(fù)雜，有接頭、殼體焊接時(shí)的大面積保護(hù)，也有為接地塊、芯片孔預(yù)留焊接位的毫米級(jí)保護(hù)，這就對(duì)阻焊膠的易用性提出了要求。通常需要阻焊膠黏度大，組分揮發(fā)慢，涂敷過程中無拉絲、塌邊，方便手工點(diǎn)涂與儲(chǔ)存，在各項(xiàng)性能良好的情況下結(jié)合點(diǎn)膠機(jī)使用能大幅提高點(diǎn)涂效率。涂敷后對(duì)于熱固型阻焊膠要加熱固化，要求固化溫度低，時(shí)間短，方便使用。

2.2 阻焊膠的耐焊接性

微波組件軟釬焊一般采用回流焊接的方法，焊接溫度高，焊接時(shí)間長(zhǎng)，阻焊膠需耐高溫，經(jīng)無鉛回流焊(240 ℃)不變質(zhì)，同時(shí)在焊接高溫下粘結(jié)強(qiáng)度高，能起到良好的阻焊作用。微波組件軟釬焊的焊接材料通常為微波板、陶瓷板、軟釬焊料以及鍍金、鍍銀的金屬襯板或殼體，阻焊膠不能與它們發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生腐蝕，破壞焊接材料的外觀。

2.3 阻焊膠的去除

阻焊膠是為了防止焊料潤(rùn)濕不需要焊接的區(qū)域而在生產(chǎn)過程中涂覆的一種臨時(shí)阻焊膜，為了保證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使用要求且避免引入多余物，阻焊膠一般在焊接結(jié)束后必須去除，而且為了不影響生產(chǎn)效率，要求去除方法簡(jiǎn)單，不能損傷微波板、陶瓷板、金屬殼體等焊接材料[8]。根據(jù)阻焊膠的特性通常有機(jī)械剝離、水洗、溶劑清洗等多種清除手段[9]。

2.4 阻焊率

在微波組件軟釬焊阻焊膠的各種應(yīng)用中，如果阻焊失效焊料漫流過度，則必須手工刮除多余焊料，這不僅影響生產(chǎn)效率，而且會(huì)對(duì)產(chǎn)品外觀造成破壞，所以期望阻焊膠的阻焊率盡可能高，要求阻焊膠的涂覆要致密，本身在焊接過程中不被焊料侵蝕或被助焊劑腐蝕脫落。

3 阻焊試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)材料

選取某型號(hào)在產(chǎn)的微波組件為試驗(yàn)對(duì)象，焊接材料包括銅鍍金殼體、微波介質(zhì)板、微波絕緣子、Sn96.5Ag3Cu0.5焊膏、常規(guī)阻焊膠A和改進(jìn)型阻焊膠B。2種阻焊膠性能參數(shù)見表1。

表1 阻焊膠的性能參數(shù)

3.2 試驗(yàn)工藝流程

阻焊試驗(yàn)工藝流程如圖l所示[10]。將試驗(yàn)焊接的殼體分為3個(gè)批次，編號(hào)為1#、2#、3#。1#批次沒有保護(hù)直接焊接，2#、3#批次按上述工藝流程分別采用A、B兩種型號(hào)阻焊膠保護(hù)后焊接。試驗(yàn)過程中軟釬焊接主要采用氣相回流焊技術(shù)，焊接峰值溫度為240 ℃，焊膏熔點(diǎn)(217 ℃)以上保持時(shí)間60 s，其中阻焊工藝主要包括阻焊膠涂覆和清除兩部分。

圖1 微波組件釬焊工藝流程圖

3.2.1 涂覆阻焊膠

涂覆阻焊膠的具體步驟如下。

1)在微波板和金屬殼體需要保護(hù)的非焊接區(qū)域用細(xì)針畫圖形做標(biāo)記。

2)使用點(diǎn)膠機(jī)按照標(biāo)記圖形把阻焊膠涂覆在非焊接區(qū)(見圖2)。其中阻焊膠A室溫下固化時(shí)間短，極易造成點(diǎn)膠針頭堵塞，生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常更換點(diǎn)膠針頭，阻焊膠B室溫下固化非常緩慢，點(diǎn)膠使用較方便。

圖2 涂覆阻焊膠

3)按照表2所提供的參數(shù)在熱臺(tái)/烘箱中加熱固化阻焊膠。阻焊膠A加熱固化時(shí)間為40 min，阻焊膠B加熱固化時(shí)間為1 min，阻焊膠B固化時(shí)間較短，生產(chǎn)效率較高。

表2 阻焊工藝參數(shù)

3.2.2 清除阻焊膠

焊接以后阻焊膠A膠體較軟，粘結(jié)力小，可手工刮除，阻焊膠B膠體較硬，粘結(jié)力大，但玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，可采用熱板加熱軟化后鏟刀刮除或在有機(jī)溶劑中浸泡軟化自行脫落。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從試驗(yàn)結(jié)果來看，1#批次沒有阻焊直接焊接，由于殼體鍍金層良好的可焊性，液態(tài)焊料在其表面潤(rùn)濕角<30°鋪展速度較快。在回流焊接過程中，熔融焊料在液體毛細(xì)作用的驅(qū)動(dòng)下迅速填充焊接區(qū)域，為了保證焊接充分，熔融時(shí)間通常較長(zhǎng)，在焊料潤(rùn)濕力的作用下有較多焊料從電路板焊接區(qū)域漫流出來，污染了后續(xù)裝配區(qū)域(見圖3)。焊后需要較大的人力用鏟刀清理，同時(shí)焊料與鍍金層反應(yīng)，影響后續(xù)的芯片焊接質(zhì)量。

圖3 未保護(hù)焊接后的非焊接區(qū)域

2#批次采用阻焊膠A保護(hù)后焊接，阻焊膠A可以部分阻止焊料潤(rùn)濕非焊接區(qū)域，但是經(jīng)過無鉛回流焊接高溫以后，阻焊膠表面顏色發(fā)黃，去除過程中發(fā)現(xiàn)膠體明顯軟化變質(zhì)、不易撕除，在被保護(hù)區(qū)域易產(chǎn)生粘稠狀殘留物，同時(shí)焊料滲透到阻焊膠底部存在部分阻焊失效。分析原因主要在于阻焊膠A主要成分為丙烯酸脂橡膠，該類橡膠的最高使用溫度為200 ℃，無鉛回流焊接溫度較有鉛焊接提高約40 ℃，在峰值溫度為240 ℃的高溫下，阻焊膠A性狀發(fā)生了變化，無法實(shí)現(xiàn)其固有的阻焊性能。微波絕緣子與殼體焊接面焊料也受到變質(zhì)阻焊膠的腐蝕，表面發(fā)黑失去金屬光澤，很難清理干凈，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 阻焊膠A保護(hù)焊接

3#批次采用阻焊膠B保護(hù)后焊接，阻焊膠B保護(hù)可以有效阻止焊料潤(rùn)濕非焊接區(qū)域，回流焊接過程中液態(tài)焊料流淌受到限制，主要集中在焊接區(qū)域。經(jīng)過無鉛回流焊接高溫以后，阻焊膠性狀無變化。去除阻焊膠以后，保護(hù)區(qū)域鍍金層沒有受到破壞，沒有膠體殘留，方便后續(xù)安裝工藝，阻焊膠保護(hù)的焊點(diǎn)光亮無不良影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 阻焊膠B保護(hù)焊接

微波組件焊接過程采用阻焊保護(hù)措施后，不僅能減少焊后清理的工作量，而且不會(huì)有刮痕，保證了特殊產(chǎn)品對(duì)外觀美觀的要求，焊接效果如圖6所示。經(jīng)批量生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，阻焊膠阻焊率可達(dá)90%以上。

圖6 阻焊保護(hù)焊接后的非焊接區(qū)域

4 結(jié)語

經(jīng)過工藝試驗(yàn)與在批量產(chǎn)品中的應(yīng)用，筆者認(rèn)為，在微波組件軟釬焊過程中采用阻焊工藝能夠有效解決實(shí)際生產(chǎn)中面臨的工藝難題，提高生產(chǎn)效率。本文所選用的阻焊膠相比常規(guī)阻焊膠有明顯優(yōu)勢(shì)，能耐受無鉛軟釬焊的焊接高溫，不腐蝕焊接材料，涂覆、去除簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，能有效保護(hù)產(chǎn)品非焊接區(qū)域，滿足高可靠微波組件的要求。