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微波功率模块的三种焊接工艺分析比较

贸泽电子设计圈 2020-08-18 14:52 次阅读

微波功率模块

微波功率模块是雷达收发组件的重要组成部分,其焊接质量和装配效率对有源相控阵雷达的性能及研制速度非常重要。本文介绍了微波功率模块焊接所采用的分步焊接、阶梯焊接和一次性焊接等三种工艺方法的特点,分析了工艺控制的关键参数和控制要点。以某型号雷达微波功率模块的装焊为对象,分别利用3种工艺方法对微波功率模块进行焊接,从生产效率、焊透率以及生产工艺性等方面对工艺方法进行对比分析。试验结果表明,对于器件数量较多的微波功率模块,优选一次性焊接工艺,次选阶梯焊接或分步焊接,对于器件数量较少的微波功率模块,优选分步焊接。

发射/接收(T/R)组件是广泛应用于机载、舰载、星载和弹载等新一代固态有源相控阵雷达的核心部件。其中,微波功率模块实现发射信号的合成和放大,是T/R组件中非常重要的组成部分。由于微波功率模块数量多、体积小、集成度高、电性能要求高、可靠性要求高和电磁兼容问题突出,采用传统的制造手段已无法满足整机小型化、集成化和高可靠性的需求。比如,微波功率模块装配质量的优劣、微波性能的一致性,对确保T/R组件的高性能起到了关键作用,同时还需要兼顾考虑生产周期和产能等要素。因此,微波功率模块的焊接工艺对T/R组件的性能以及研制进度具有重要影响,是有源相控阵雷达研制过程中的重要研究方向。

本文介绍微波功率模块的三种焊接工艺,并通过分析比较,确定了各自的应用条件。

一、微波功率模块焊接方法微波功率模块由金属基板、微波介质板和元器件构成,见表1。其焊接内容包括微波介质板大面积焊接和元器件焊接两部分。微波功率模块焊接工艺主要有分步焊接、阶梯焊接和一次性焊接等三种方法,每种方法都能实现微波功率模块器件的焊接,但是它们存在各自的优缺点,需要依据产品的结构特点、器件类型及数量、产能要求、微波性能要求、可靠性要求以及生产设备的能力等选择合理的焊接工艺。

表1:功率模块主要组成分步焊接分步焊接工艺是指微波功率模块采用回流焊接和手工焊接分步实施的工艺方法,工艺流程如图2所示。该工艺一般分成两大工序:首先采用大面积焊接工艺,实现微波介质板与金属基板的高可靠连接,确保满足散热性能要求和微波接地要求;然后采用手工焊接工艺,实现阻容贴片元件、集成电路QFN和功率管等所有元器件的手工装焊。

图2:分步焊接工艺流程

该工艺主要适用于元器件数量较少且易于手工焊接的微波功率模块。它的优点是操作简单方便,不需要大型生产设备,工装设计简单。不过,手工焊接存在一定的缺陷:一方面,容易存在元器件的错焊和漏焊等问题,需要做好器件符合性检查;另一方面,针对一些接地的焊点,由于印制板已经与底板焊接,导致印制板的接地焊点热容较大,焊接难度大。

阶梯焊接阶梯焊接工艺是指微波功率模块采用低温焊料焊接元器件和常温焊料焊接微波介质板与壳体的工艺技术,两种焊接工艺相结合使用。阶梯焊接的工艺流程如图3所示。首先采用表面贴装技术(SMT)工艺,实现元器件与微波介质板可靠高精度焊接;然后采用大面积焊接工艺,实现微波介质板与金属基板的高可靠连接,确保满足散热性能要求和微波接地要求。

图3:阶梯焊接工艺流程

该工艺主要适用于元器件适合表贴,并且数量多、类型复杂的微波功率模块。它的优点是自动化程度高、装配效率高、模块焊接一致性好、可靠性高;缺点是两种焊料体系梯度焊接,工艺窗口小,温度控制难度大。

一次性焊接一次性焊接工艺是指将SMT工艺和大面积焊接工艺相结合,实现微波功率模块元器件、微波介质板和壳体同步焊接,其工艺流程如图4所示。一次性焊接工艺先进行SMT工艺,完成微波介质板焊膏印刷和元器件贴装,再进行大面积焊接工艺,完成壳体点涂焊膏以及微波介质板、金属基板和工装的装夹,最后进行一次性回流焊接。

图4:一次性焊接工艺流程

一次性焊接工艺主要适用于适合表贴,并且元器件数量多、类型复杂的微波功率模块。它的优点是自动化程度高、一致性好、可靠性高,而且只需一次回流焊接工序,使得工序简化,但该方法对工装设计要求较高。

二、微波功率模块焊接工艺的控制要素微波功率模块三种焊接工艺有五个关键工艺技术要素,分别为大面积焊接阻焊技术、焊接温度窗口控制、大面积焊接工装设计、壳体内焊膏点涂技术和自动化焊接工艺。大面积焊接阻焊技术

在大面积焊接过程中,阻焊剂(胶)会阻止焊料从焊接区渗透到非焊接区,并且焊接后,可轻易去除。焊料的流淌主要与炉温、工装施加到印制板的压力、焊料涂覆与非焊接区域的距离以及印刷网板的占空比等因素有关。经过大量的工艺试验和产品应用表明,以上四个因素控制得当,可以不用阻焊剂(胶),同样可达到控制焊料从焊接区流淌到非焊接区的效果,并且工艺过程中,减少了涂覆阻焊胶的工步,提高生产效率。

焊接温度窗口控制

阶梯焊接工艺在器件的封装和集成电路封装中已得到了广泛应用,同时也可应用于微波电路功能模块的焊接应用。微波介质板先经过SMT焊接(采用常温焊膏),后经过大面积焊接(采用低温焊膏)。在大面积焊接时,需要监测印制板表面器件焊点处的峰值温度,不能高于甚至接近首次焊接所用焊料的熔点,否则,器件会重熔。所以,在大面积焊接过程中,需要对再流焊炉的性能进行跟踪监测,操作比较繁琐。

针对焊接质量要求较高的产品,需掌握再流焊炉温度变化特性。首次生产时,每间隔一个小时监测一次炉温变化;当了解了炉温的情况后,每周跟踪两次,监测炉温是否发生变化。如果炉温比设定好的温度曲线偏离±5℃,需要重新调整温度曲线。

由此可见,阶梯焊接工艺的难度较大,需要控制工艺窗口,而分步焊接和一次性焊接则不涉及该问题。大面积焊接工装设计

大面积焊接中工装设计是非常关键的技术,需要考虑工装材料(铝合金、石墨和不锈钢等)、压力分布均匀性、工装透气性、工装热容大小、印制板受压方式及压力大小。

针对压力位置,分步焊接工艺中,微波介质板表面平整,工装的施压位置不受限,只需考虑受力均匀;而阶梯焊接和一次焊接工艺中,微波介质板的受力位置不能干涉焊好的元器件,如果无法避免器件干涉问题,那么该器件的焊接工序需要调整到引脚器件焊接工序中,同时,在网板设计时,考虑该器件不设计焊膏印刷区域。

壳体内焊膏点涂技术

壳体点涂焊膏技术是通过选择合适黏度的针筒焊膏和针头内径,同时配合自动化点涂设备,在壳体内自动涂覆并居中均匀分布焊膏。在分步焊接与阶梯焊接工艺中,大面积焊接工序的焊膏通过印刷机印刷在微波介质板的背面;而在一次性焊接工艺中,微波介质板上表面印刷焊膏后,下表面无法印刷焊膏,此时采用壳体点涂焊膏的技术,可以实现焊膏的涂覆。

自动化焊接工艺

生产的智能化要求全设备能够联网运行。微波功率模块的分步焊接工艺无法实现自动化生产,而阶梯焊接工艺和一次性焊接工艺中,可实现微波功率模块焊接全自动化生产。

通过三种工艺方法所涉及的工艺技术比较,得出生产过程的实现难度由低到高分别为:分步焊接、一次性焊接和阶梯焊接。

三、微波功率模块焊接工艺对比研究以某型号雷达中的功放模块为例,抽样数为3,000只功放模块,物料类型及数量见表2,分别采用三种工艺形式,各生产1,000只,进行生产效率、焊透率和焊接工艺性对比分析研究。

表2:试验件器件类型及数量生产效率比较采用三种微波功率模块焊接工艺分别生产1,000只模块,根据统计,人员配置及产能见表3

表3:三种工艺的人员、时间和效率比较

通过表3可见:

1)从产能比较,使用阶梯焊接工艺方式的产能大约是分步焊接工艺方式的4倍,而阶梯焊接工艺与一次性焊接工艺相当。可见,阶梯焊接工艺和一次性焊接工艺效率较高。

2)与其他焊接方式比较,分步焊接的手工焊接工序占用工时多,并且比例较高,严重影响了生产效率。焊透率分析三种工艺方式下生产的微波功率模块,分别抽取了5只模块,观察基板空洞率,计算焊透率并进行对比。试验结果见表4

表4:不同焊接工艺中微波功率模块基板焊透率

通过表4的比较分析得出,三种焊接方式的焊透率都满足大于80%的指标要求,并且焊透率大小相当。

工艺性评估

三种微波功率模块焊接工艺使用的工艺技术类型有所差别,具体见表5

表5:微波功率模块焊接工艺对比通过表5的比较得出,三种焊接方式的工艺难度系数由高到低依次为阶梯焊接、一次性焊接和分步焊接。

四、结论从微波功率模块的生产效率、模块的焊接质量和加工难度等方面,对三种工艺方式进行综合性比较,从而得出各自的适用场合,以指导生产。

1)分步焊接工艺中器件通过手工焊接,焊接一致性差,容易造成错焊和漏焊等问题。该工艺适用于器件量少的模块,同时不需要较复杂的工装设计和大型生产设备。

2)阶梯焊接和一次性焊接可以实现全自动化生产,器件焊接的一致性好,漏焊和错焊的概率低,都适用于器件量大的模块。只是阶梯焊接的技术难度大于一次性焊接。

综上所述,微波功率模块的贴片器件数量较多的情况下,优选一次性焊接工艺,次选阶梯焊接工艺,最后选择分步焊接工艺;贴片器件数量较少的情况下,优选分步焊接工艺。

作者:杨海华,杨涛,张玮

原文标题:微波功率模块焊接工艺研究

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编写的软件开发工具包(SDK) 用于与EdgeST-SDK组合可用于快速启动 应用样品允许读取来自数据线连接的传感器节点和将数据发送到云 BSD(3-子句)许可证条款 WireST-之前在网关上执行本地计算SDK是Linux网关,允许接口网关有线连接一个传感器计算抽象库。
发表于 05-20 14:05 38次 阅读
WIREST-SDK WireST-SDK有线传感器的软件开发工具包为Linux网关

STSW-BFA001V2 STSW-BFA001V2软件包STEVAL- BFA001V2B多传感器开发套件条件监测和预测性维护

富的基于超宽带固件实施例来构建应用程序状态监测和预测性维护的3D数字加速度计,环境和声学MEMS传感器 MotionSP中间件包括算法用于用于振动分析先进的时间和频率域的信号处理: 可编程FFT大小(点256,512,1024,2048) 可编程FFT重叠和平均化 可编程窗(平顶,汉宁,汉明,矩形) 速度RMS移动平均,最大加速度。峰 中间件集成麦克风算法: PDM到PCM转换 声音压力 音频FFT 在IO-Link设备栈V1.1(由TEConcept GmbH的提供)对象格式第三部分中间件: IO-Link设备描述符(IODD ),以提供所有的测量(波特率:COM3) BLOB传输支持振动和声学FFT数据传输 参数配置和事件设备生成对时间和频率域设置和分析 用于在频谱带和时域 两个不同的数据输出的工作模式的警告和警报状况可编程阈值: 单机模式经由USB所述试剂盒连接到PC IO-Link模式与主电路板对接与通用主板 固件包STM32F469AI开发了在不同的MCU系列便于携带 应用例如固件接口与一个通用的IO-Link主工具 专用PC GUI节点绘制从STEVAL-IDP005V2未来(包含在STEVAL-BFA001V2B试剂盒)中的数据,当它被连...
发表于 05-20 13:05 43次 阅读
STSW-BFA001V2 STSW-BFA001V2软件包STEVAL- BFA001V2B多传感器开发套件条件监测和预测性维护

STSW-FCU001 STSW-FCU001参考设计固件微型无人机

该STEVAL-FCU001V1评估板 的飞行控制器单元实现在Github开放源码代码 高性能在空中运动四轴飞行器稳定 完全支持的STEVAL-FCU001V1板载陀螺仪和加速度计 用于保持可用的海拔晴雨表支持 对于方向检测磁力支持可用的 嵌入式例程接受来自最常见的远程控制命令 在STSW-FCU001固件已经设计用于STEVAL-FCU001V1评估板支持四轴雄蜂设计。
发表于 05-20 13:05 18次 阅读
STSW-FCU001 STSW-FCU001参考设计固件微型无人机

STSW-ISB044FW STSW-ISB044FW固件基于STBWC-EP的STEVAL-ISB044V1无线电力发射器的评估板

EP 15瓦无线充电溶液 5至13V的DC输入电压 15瓦的输出电压,齐1.2.3 EPP 半桥拓扑 专利解调 智能待机 STSW-STWBCGUI兼容性 参数调谐应用程序定制 异物检测(FOD) 在STSW-ISB044FW固件提供了所有STWBC-EP标准功能如齐标准中描述。
发表于 05-20 13:05 40次 阅读
STSW-ISB044FW STSW-ISB044FW固件基于STBWC-EP的STEVAL-ISB044V1无线电力发射器的评估板

STSW-SGKITGUI STSW-SGKITGUI通用PC GUI来控制硬件基于STCOMET或ST8500设备

窗 固件升级(本地和远程) NVRAM和属性的访问(读/写) 二进制和ASCII跟踪显示 为Windows这种直观的图形用户界面(GUI)
发表于 05-20 13:05 19次 阅读
STSW-SGKITGUI STSW-SGKITGUI通用PC GUI来控制硬件基于STCOMET或ST8500设备

STSW-L99SM81V STSW-L99SM81VEVAL-L99SM81V图形用户界面

图形用户界面(GUI),用于EVAL-L99SM81VQ和EVAL-L99SM81VY评估板。 在STSW-L99SM81V是图形用户界面(GUI)专用于组和控制EVAL-L99SM81VQ和EVAL-L99SM81VY。
发表于 05-20 13:05 66次 阅读
STSW-L99SM81V STSW-L99SM81VEVAL-L99SM81V图形用户界面

STSW-USBPD45CFW STSW-USBPD45CFWSW包STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源适配器发货

包与应用实例的二进制为STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源输送适配器。 应用固件基于所述认证X-CUBE-USB-PD软件设计的ARM ® 32位皮质® -M0 STM32F051 MCU和PD3.0认证STUSB1602A C型控制器。 在STSW-USBPD45CFW软件包被设计为支持STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型电源输送适配器参考设计。
发表于 05-20 13:05 44次 阅读
STSW-USBPD45CFW STSW-USBPD45CFWSW包STEVAL-USBPD45C 45瓦USB C型™电源适配器发货

STSW-IOM001 STSW-IOM001基于STM32Cube L6360的IO-Link通信收发器主控IC评估软件

60的IO-Link通信收发器主IC集成在STEVAL-IOM001V1评估板的管理驱动程序层 读取及经由I²C GPIO和IRQ的配置 I / Q信道用于接收和发射 故障中断处理 示例应用程序,用于控制最多四个L6360设备 在不同的MCU系列,携带方便,这要归功于STM32Cube 免费的,用户友好的许可条款 在STSW-IOM001对于STEVAL-IOM001V1评估板它集成了L6360的IO-Link收发机主的评估软件。
发表于 05-20 13:05 114次 阅读
STSW-IOM001 STSW-IOM001基于STM32Cube L6360的IO-Link通信收发器主控IC评估软件

STSW-IOD003 STSW-IOD003基于STM32Cube L6362A的IO-Link通信收发器设备IC评估软件

62A IO-Link通信收发器装置IC集成在STEVAL-IOD003V1评估板的管理驱动程序层 GPIO和IRQ的配置 用于接收和发射I / Q信道控制 故障中断处理 用于控制L6362A设备 易于在不同的微控制器系列可移植性示例应用程序,这要归功于STM32Cube 自由的,用户友好许可证条款 在STSW-IOD003是用于STEVAL-IOD003V1评估板它集成了L6362A IO-的评估软件链路收发器设备。
发表于 05-20 13:05 58次 阅读
STSW-IOD003 STSW-IOD003基于STM32Cube L6362A的IO-Link通信收发器设备IC评估软件

STSW-STWBC-EP STSW-STWBC-EP固件EVALSTWBC-EP 15W单线圈齐MP-A15无线功率TX评估板基于STBWC-EP

EP齐MP-A15单线圈15W无线充电溶液 智能待机 STSW-STWBCGUI兼容性 参数调谐用于应用程序客户化 异物检测(FOD) 在STSW-STWBC-EP固件模块提供所有专用于STWBC-EP标准功能的15W单线圈MP-A15评估板EVALSTWBC-EP。
发表于 05-20 13:05 89次 阅读
STSW-STWBC-EP STSW-STWBC-EP固件EVALSTWBC-EP 15W单线圈齐MP-A15无线功率TX评估板基于STBWC-EP

STSW-USBC2DP STSW-USBC2DP软件包为USB C型™转DisplayPort™适配器板

封装应用固件的STEVAL-USBC2DP USB C型转DisplayPort适配器。 应用固件是基于X-CUBE-USB-PD认证的软件,专为ARM ® 32位皮质® -M0 STM32F072微控制器嵌入式在适配器评估板。 在STSW-USBC2DP软件包包含在旨在演示STEVAL-USBC2DP功能二进制格式应用固件。
发表于 05-20 13:05 76次 阅读
STSW-USBC2DP STSW-USBC2DP软件包为USB C型™转DisplayPort™适配器板

STSW-STGAP001 STSW-STGAP001STGAP1AS评估软件

LSTGAP1S板兼容 支持菊花链 配置面板容易地配置设备 诊断反馈状态 配置管理 要求STEVAL-PCC009V2接口板 在STSW-STGAP001 gapDRIVE评估软件是视窗
发表于 05-20 13:05 81次 阅读
STSW-STGAP001 STSW-STGAP001STGAP1AS评估软件

STSW-CONNECT009 STSW-CONNECT009安装程序分享帮助设计套件

发表于 05-20 13:05 26次 阅读
STSW-CONNECT009 STSW-CONNECT009安装程序分享帮助设计套件

STSW-PCC009V2 STSW-PCC009V2IBUUI快速检测

发表于 05-20 12:05 30次 阅读
STSW-PCC009V2 STSW-PCC009V2IBUUI快速检测

STSW-L9177A STSW-L9177AEVAL-L9177A图形用户界面

RS232端口连接与微控制器 自动COM连接 L9177A SPI寄存器读取和写入 能够生成可编程durationactuations 可能性控制L9177A并行致动。 在STSW-L9177A是一个图形用户界面(GUI),其允许以初始化并通过SPI协议改变参数控制EVAL-L9177A评估板,管理并行PWM输入和读出的输出。该L9177A GUI已经使用Labview的开发和其使用,如微控制器接口,在SPC56M发现板。
发表于 05-20 12:05 91次 阅读
STSW-L9177A STSW-L9177AEVAL-L9177A图形用户界面

STSW-RFSOL003 STSW-RFSOL003GUI用于STuW81300评估板

板用于STuW81300,宽带射频/微波PLL小数/整数频率合成器集成VCO和LDO的。 STSW-RFSOL003 PC兼容的图形用户界面(GUI),并提供: 直接读/设备寄存器写访问 在STuW81300-EVB评估板允许用户程序和操作STuW81300宽带RF /微波PLL小数/整数频率合成器和它的集成压控振荡器和LDO的。
发表于 05-20 11:05 80次 阅读
STSW-RFSOL003 STSW-RFSOL003GUI用于STuW81300评估板

STSW-STPM001 STSW-STPM001STPM32 / 33/34评估软件

及配置STPM3x设备 适用于并行和USB加密狗和UART接口 单读或取样可用 自动寄存器读取电压,电流,功率和能量值的转换 应用设计向导目标的评分 自动校准程序为: 振幅 相移 电源偏移 应用和配置可被保存到文件,并从它装 2.0框架 在STPM3x评估软件是一个图形用户界面来读取,配置和校准STPM3x电能计量IC,适合于并行和USB硬件接口和UART接口。应用程序有一个唯一的工作区域,其中用户可以读取设备寄存器和写配置和校准参数。应用参数(如传感器灵敏度,AFE参数)所选择的设备可以被配置为返回测量的功率,电流和电压。数据采集​​可被设置为从所述设备读取的一个或多个数据样本,并且相同的数据可以以表格的形式输出,并保存为Excel文件。提供向导工具,引导该应用程序设计期间,用户和自动校准该设备。当前会话的数据可以保存在任何时候的一个项目;现有项目可以打开或者可以创建一个新项目。...
发表于 05-20 11:05 71次 阅读
STSW-STPM001 STSW-STPM001STPM32 / 33/34评估软件

STSW-MEMS034 STSW-MEMS034并购案精简版 - 源代码

用户界面(GUI),用于Windows平台 提供的GUI的源代码,C#语言 使用STEVAL-MKI109V3专业MEMS工具板兼容 为寄存器配置和输出数据管理的示例代码 在的Unico精简版图形用户界面(GUI)是一个完整的评估软件包提供的C#源代码示出了如何管理从通用MEMS传感器的传感器数据流(诸如加速度计,陀螺仪,磁力和压力传感器)连接到STEVAL-MKI109V3专业MEMS工具板。
发表于 05-20 11:05 70次 阅读
STSW-MEMS034 STSW-MEMS034并购案精简版 - 源代码

STSW-OPAMP002 STSW-OPAMP002基于STM32核蛋白和运算放大器扩展板肌电应用

LED照明肌肉收缩 基于该X-细胞核 - IKA01A1 固件细胞核 - F401与IAR开发环境 样本代码包括了校准过程 自由的,用户友好许可证条款 在STSW-OPAMP002包包括固件用于肌电图( EMG)的应用程序。的X细胞核 - IKA01A1板嵌入基于运算放大器的若干配置。该软件和相关设计周(DT0061,可在www.st.com)展示了如何配置它开发的肌电图。该应用程序允许用户为触发通过肌肉收缩使用TSZ124运算放大器的动作。肌肉收缩的大小可以根据身体特性而变化,因此校准过程已经执行。...
发表于 05-20 11:05 69次 阅读
STSW-OPAMP002 STSW-OPAMP002基于STM32核蛋白和运算放大器扩展板肌电应用