基于陶瓷基板一體化封裝的高可靠性LC濾波器組裝工藝研究

李亞飛,溫桎茹,蒲志勇,張鈞翀,張 偉,董 姝,吳 秦

(中國電子科集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

LC濾波器作為射頻系統濾波功能器件,其設計及封裝結構靈活[1-2]。隨著無線通訊設備小型化、高性能的發展,對LC濾波器產品的集成度和質量可靠性提出了更高要求。常規的金屬封裝類LC濾波器通常將焊接后的PCB電路板通過燒焊方式固定在金屬外殼內,并依靠射頻引針進行信號導出,裝配過程中易出現印制板翹曲變形、電路焊接空洞及電容損傷等問題[3-4],制約了產品體積的進一步縮小,裝配效率和產品質量難以得到保證。

目前陶瓷基板憑借介電損耗小,布線密度高及良好的溫度特性等優點[5-6],成為了一種理想的高密度集成用主流基板。與常規PCB電路板相比,陶瓷基板具有更高的硬度,生產過程中不易發生變形,能與金屬圍框直接釬焊連接,形成一體化封裝結構,實現較好的機械強度和氣密性。在此結構中,陶瓷基板作為封裝體的一部分,無需額外對電路基板進行封裝[7-8];在高度集成小型化的同時,能有效地提高裝配效率,節約封裝成本。

本文基于陶瓷基板一體化封裝結構的LC濾波器進行了組裝工藝方法創新研究,以不同的方式實現了繞線電感和片式電容的預固定,確保元件在焊裝過程不會發生移位偏斜,從而實現產品回流焊接的目的,提升了產品生產效率和質量可靠性。

1 產品封裝結構介紹

本文研究的LC濾波器將低溫共燒陶瓷(LTCC)電路基板與金屬圍框高溫釬焊連接形成一體化封裝結構,制成產品的尺寸為12 mm×9 mm×4 mm,產品裝配結構如圖1所示。因LC濾波器高頻特性,其基板采用共焊盤設計,裝配時需將繞線電感和片式電容元件焊接在腔體內的基板上,完成調試后采用硅橡膠涂覆固定繞線電感,提升其抗振性能,腔體頂部采用平行縫焊方式實現蓋板和圍框的密封焊接。

圖1 產品裝配結構圖

該產品為表面貼裝使用需求,故內部元器件采用無鉛焊料(SAC305合金)高溫焊接。元件尺寸小,排布密集,需在狹小的圍框內采用手工焊裝元件,故生產效率極低,且焊接過程中易發生元件損傷、潤濕不良等缺陷,返工則會帶來可靠性隱患。此外,在檢驗合格的產品中,因多次焊接和共焊盤問題也出現了后續試驗和使用過程中產品失效的情況。為了提升該類型產品的生產效率和質量可靠性,工藝方法的創新研究迫在眉睫。

2 工藝設計

隨著電子產品微型化,表面貼裝技術(SMT)發展日趨完善,回流焊[9-10]作為主流釬焊技術發展迅猛,被廣泛應用于組裝領域。相比于手工焊接,回流焊接能夠實現焊料一次性熔化,避免了元器件的多次焊接熱沖擊,且具有較好的焊接一致性。因此,確保繞線電感在回流過程中保持豎立及避免共焊盤貼裝的片式電容歪斜偏移成為該類型結構LC濾波器裝配時需要解決的難題。

本文在回流焊前對元件進行預固定,利用電阻點焊方式對繞線電感引腳進行鍵合,點涂貼片紅膠對片式電容進行粘結,進而實現繞線電感和片式電容在焊盤上的預固定以及元器件的回流焊接,其工藝實現原理如圖2所示。

圖2 產品裝配原理圖

2.1 繞線電感點焊

由于繞線電感不具備片式元件的貼裝穩定性,所以需要采用特殊方法使繞線電感的引腳與基板保持相對固定。文獻[11-12]表明,在合適的工藝參數下使用點焊機可以實現對小線徑漆包線的去漆和焊接,焊接后得到細小牢靠的焊點,焊面光滑,焊接件電接觸良好。電阻點焊的焊接原理是將被焊工件壓緊于兩電極之間,利用電流流經工件接觸面以及鄰近區域產生的電阻熱,將其加熱到熔化或塑性狀態,使之形成金屬結合的一種方法。如圖3所示,將漆包線引腳和焊盤金屬基底作為搭接接頭,焊接壓頭向下施加壓力,并施加足量電流經焊接壓頭傳出,電流流經漆包線與焊盤的接觸面,產生的電阻熱使漆包線發生局部熔化,與焊盤形成冶金結合。

圖3 漆包線點焊工作原理圖

本文使用的點焊設備由電源發生裝置、視屏放大系統、點焊壓頭和控制踏板組成。點壓操作過程在視屏放大系統觀察下進行,如圖4所示。待焊接的繞線電感采用QA/QY等型漆包線繞制,線徑范圍為?(0.1～0.3 mm),引腳彎折長度約1 mm。為降低繞線電感引腳加壓鍵合時所施加的能量,減少對漆包線和陶瓷基板的損傷,將漆包線提前進行搪錫處理,搪錫處理時采用SAC305焊料,與最終回流焊接焊料保持一致。

圖4 點焊設備

電阻點焊預固定的實現過程:

1) 輸入焊接參數:電壓100～120 V,維持時間2～3 s。

2) 調整焊頭與電感間的相對位置,焊頭施加壓力,使電感引腳與焊盤緊密貼合。

3) 踩下控制踏板,焊頭釋放電流。

4) 完成焊接后升起壓頭,檢驗點焊效果。

圖5為點焊完成后形成的連接點。電感引腳局部發生少量變形,通過陶瓷基板焊盤和漆包線界面的焊料熔融實現電感引線與基板焊盤上的固定連接,從而保證回流焊接時繞線電感的豎直挺立。

圖5 繞線電感點焊形貌

因繞線電感本體自重較大,后續機械和熱沖擊時會影響其連接界面強度,且產品在調試過程中需要對繞線電感的形狀和位置進行重新擺放,這使點壓鍵合界面因受力而導致脫鍵。單純依靠鍵合界面連接難以保證后續應用中的較高可靠性,因此,在該產品裝配中點壓鍵合只作回流焊接過程中的繞線電感的引腳固定,其連接強度需依靠引腳位置施加的焊料熔融焊接保證,即后續回流焊接過程。

2.2 紅膠粘片

使用貼片紅膠粘結片式電容屬于較為成熟的SMT工藝制程,紅膠施加通常采用噴涂或印刷的方式進行。因本產品基板上金屬圍框的存在,可選用點膠機(或噴印機)點涂方式在待貼片電容焊盤中間位置涂布紅膠。選定合適針頭后,依靠調節點膠機氣壓大小和定時長短來調節紅膠涂布劑量。

采取真空吸筆或鑷子拾取片式電容進行貼裝,嚴禁裸手觸碰,避免影響元件焊端的后續可焊接性。片式電容應貼放在制定焊盤中央,左右和上下偏差在規定范圍內。隨后將產品置于85 ℃烘箱烘烤30 min,實現紅膠固化。圖6所示為產品腔內的片電容貼裝情況。

圖6 片式電容貼裝圖

2.3 回流焊接

在完成繞線電感引腳點焊、片式電容紅膠粘接的預固定工作后,用點膠機在待焊接焊盤和元器件焊端處點涂適量的焊錫膏(SAC305)。焊錫膏以充分包裹焊端和待焊接面為宜。點涂完焊錫膏后,將產品放入回流爐完成回流焊接裝配過程,即焊錫膏合金熔化,充分潤濕包裹繞線電感引線和片式電容端頭,并形成冶金連接。繞線電感引腳焊點的形成過程如圖7所示。

圖7 繞線電感焊接過程

在回流焊接過程中,由于繞線電感和片式電容與基板的預固定,高溫下熔融焊料產生的表面張力及爐腔內的熱風不足以使元件發生位移。因此,濾波器內部的元件仍處于預固定的原位置,繞線電感直立無傾斜歪倒,制成的產品實物如圖8所示。

圖8 裝配產品實物

2.4 助焊劑清洗

與常規淺腔式LC濾波器相同,元器件焊接完成后進入清洗工序。因產品的圍腔結構,細間距下的助焊劑殘留和繞線電感引腳損傷是較常見的問題,甚至比焊接工序對產品生產效率和質量可靠性的影響更大。因此,調研選用對應水基溶劑浸泡30 min,并利用微壓水柱進行加壓噴淋清洗,代替原有手工刷洗作業,清洗設備如圖9所示。使用該清洗方式可在保證助焊劑清洗質量的同時,最大限度地保護繞線電感引腳等易損傷元件,產品清洗效果獲得極大改善,檢驗合格率達到100%。

圖9 噴淋清洗設備

由于元器件參數的離散性,需要手工對繞線電感的位置和疏密間距進行調整,調整時應使用非尖銳的塑料鑷子和專用工裝以避免對繞線電感的漆包線損傷。完成電性能調試后還需對繞線電感點膠固化,并采用平行縫焊的方式將金屬蓋板封焊在金屬圍框上端,實現對產品的氣密性封裝,最終完成制作。

3 產品實現

在完成上述工藝設計及驗證的基礎上,基于陶瓷基板一體化封裝結構進行LC濾波器設計,并開展了試驗驗證。

3.1 電學性能設計

本文設計了一款標稱頻率為175 MHz,-1 dB帶寬為20 MHz的六階橢圓函數帶通濾波電路,設計指標要求如表1所示。電路采用六階橢圓函數低通濾波器,通過節省繞線電感繞組的帶通變換,得到最終電路拓撲結構如圖10所示。該結構能夠實現高矩形系數和低插入損耗的電學性能,遠端帶外抑制效果好,同時具有較小繞線電感數量的特點,便于產品體積小型化和工藝裝配操作。

表1 設計指標要求

圖10 六階橢圓函數帶通濾波器

3.2 指標測試

采用本文工藝制作濾波器實物,并對其進行相關可靠性試驗,產品的測試結果如圖11所示。由圖可知,產品試驗前后測試曲線吻合較好,-1 dB帶寬為25 MHz,插入損耗小于3 dB,在f0±40 MHz處帶外抑制為53 dBc,在800～1 000 MHz處帶外抑制為80 dBc,與表1設計要求相符。電性能指標跟理論仿真結果略有差異,其原因在于理論仿真時未考慮封裝腔體射頻反射、繞線電感的寄生參數及其之間互感因素,在后續迭代版本中可進行優化改善。

圖11 產品實測曲線圖

3.3 生產檢驗

對產品生產過程進行跟蹤記錄,并對元器件焊接和清洗質量進行檢驗,統計生產合格率。裝配要求元器件無損傷和偏移歪斜;焊點光亮潤濕,無虛焊、少錫等缺陷;清洗潔凈,無助焊劑殘留等多余物。采用本文工藝方案裝配60只LC濾波器,檢驗合格率達到100%,能有效避免因焊接和返工導致的可靠性風險。

4 可靠性驗證

4.1 溫度和力學試驗

溫度和力學試驗能夠起到提早暴露產品潛在缺陷的作用,是考察產品可靠性的有效手段。表2為產品的篩選試驗條件(試驗一)及試驗結果。從通過篩選試驗的樣本中隨機抽取6只進行加嚴考核,表3為產品的加嚴考核試驗條件(試驗二)及試驗結果。由表3可見,基于該工藝方案裝成的LC濾波器電指標穩定,合格率為100%,滿足高可靠應用場景的要求。

表2 篩選試驗項目(試驗一)

表3 加嚴考核試驗項目(試驗二)

4.2 片式電容剖樣

片式電容器是由印刷電極金屬漿料和陶瓷介質疊層燒制而成,因陶瓷的韌度及耐彎曲能力差,極易出現陶瓷體斷裂或微裂紋失效[13]。尤其當微裂紋出現在陶瓷內部時,電性能測試和篩選試驗難以有效剔除該類型缺陷,進而影響產品的應用可靠性。

在試驗二中隨機抽取2只LC濾波器,采用破壞性物理分析方法對內部的片式電容進行DPA試驗,典型金相形貌如圖12所示。試驗后的LC濾波器,片式電容的陶瓷體完好無裂紋,表明該工藝方案制成的LC濾波器能夠耐受嚴苛的試驗條件,沒有片式電容陶瓷體微裂紋的失效隱患,具有較高的可靠性。

圖12 片式電容DPA金相

綜上所述,本文所開發的陶瓷基板一體化封裝的LC濾波器裝配工藝成熟穩定,操作一致性高,能夠滿足批量生產的要求,制成的產品具有較高的可靠性,現已被應用于嚴格環境中。

5 結束語

本文借助電感壓焊和紅膠粘片方式完成繞線電感和片式電容的預固定,實現了陶瓷基板一體化封裝結構的LC濾波器回流焊接開發。采用微壓水柱完成細間距助焊劑清洗,指標調試后平行焊封裝成產品。對于該類陶瓷基板一體化封裝結構的LC濾波器,本文工藝方案能夠保證較高的裝配成品率和產品可靠性,滿足批量化生產需求。