某天線裝配焊接技術攻關

譚小鵬

（西安導航技術研究所，陜西 西安 710068）

1 某天線裝配概述

隨著電子產品向輕、薄、高密度及多功能化方向發展，線路板上的元件組裝密度和集成度越來越高，功率消耗越來越大，這就要求線路板基板的散熱性非常良好，金屬基板優良的導熱性能恰好滿足這種要求[1]。某天線采用鍍銀金屬基板，長140 mm、厚6 mm的正方形陣面。背面要裝配128個SMP-JHD1絕緣子；正面由橫豎18條微帶板組裝網格，經過電裝后成為一體，電裝要求微帶板背面和鍍銀金屬板面焊接在一起，微帶板印制線條面和絕緣子芯針焊接在一起，且不能和鍍銀金屬板短連。

微帶板示意圖詳見圖1，及電裝后示意圖詳見圖2和圖3。

前期預研階段的電裝任務放在外協單位加工。但是由于外協廠家電裝能力不足造成鍍銀基板變色，以及焊接質量不穩定，導致產品報廢。經了解得知，外協廠家技術人員先將128個Φ4 mm絕緣子采用預熱臺加熱后錫焊，因溫度不均造成部分區域溫度過高，導致鍍銀基板變色；正面井字形微帶板的裝配采用逐一裝配焊接，焊接采用電烙鐵加預熱臺輔助，由于微帶板下端印制線與絕緣子插針焊接位置狹小，還特意更換了小的電烙鐵頭，但由于焊錫不均勻造成焊接質量不穩定。

圖1 微帶板示意圖

圖2 電裝示意圖正面

圖3 電裝示意圖背面

分析失敗的原因如下：

（1）采用預熱臺無法準確控制溫度，絕緣子表面的焊錫是否全部熔化不得而知；同時因溫度不均還造成鍍銀基板變色。

（2）基板屬于大面積接地，鋁材質熱損失大，即使使用了預熱臺，采用烙鐵焊接焊錫仍不易熔化，工人不停的補錫導致焊接失敗，僅焊接第2條微帶板就出現了質量問題。

（3）每個絕緣子的插針與基板圓孔四周有0.8 mm的間隙，若手工焊接錫量控制不均勻，很容易造成短路。

此項目電裝難點如下：

（1）要提高128個Φ4 mm絕緣子的裝配效率及裝配精度；

（2）陣面天線基板厚度達6 mm，散熱快，溫度場不均勻；

（3）天線結構緊湊，微帶板裝配困難，需要優化微帶板結構和裝配過程；

（4）需要控制微帶板印制線上的錫膏厚度；

（5）采用回流焊技術，分別測試絕緣子和微帶板的不同焊接溫度曲線，固化工藝參數；

（6）焊接后鍍銀基板不能變色，絕緣子和基板不能短路，微帶板接地線和基板不能斷路。

2 裝配方案設計

2.1 絕緣子裝配方案

2.1.1 單個涂覆錫膏裝配

器件直徑為4.2 mm，外表光滑，手持絕緣子涂覆錫膏操作困難。為了解決涂覆錫膏難、裝配效率低的問題，結合絕緣子的形狀（圖4），設計了一種專用工裝。

圖4 SMP-JHD1絕緣子

此工裝材料為銅，長100 mm，頂部與絕緣子內部采用緊配合，將絕緣子裝上后，可360°進行旋轉，錫膏很容易涂抹。裝配時，將涂抹完焊膏已插上工裝的絕緣子插入基板上的安裝孔，定位后取出工裝，逐一操作。

工裝的使用，解決了裝配絕緣子難的問題，最關鍵的是保證了絕緣子能準確的裝配，此環節不觸碰插針、使插針歪斜的可能性降到了最低。

2.1.2 多個涂覆錫膏裝配

在批量較小階段可以采用逐個涂覆錫膏裝配絕緣子，數量較多情況下可以改進工裝，設計一次性裝入多個絕緣子，涂覆、裝配。工裝的開孔尺寸和孔距與基板一一對應，每個工裝孔位的尺寸與絕緣子做到0.01 mm的間隙配合。操作時先將絕緣子逐個放入工裝，與工裝緊配合定位，絕緣子裝入后比工裝平面高出1 mm,以防涂抹錫膏過程中多余的焊膏污染工裝。固定后使用鋼針進行涂覆，將工裝連同連接器180°翻轉對準基板孔位，裝入，由于每個連接器重量僅零點幾克，靠著間隙配合及連接器和工裝表面摩擦力，保證了翻轉后連接器不會掉落。工裝設計和制作如圖5。

圖5 工裝及裝配過程

2.1.3 選擇焊料環進行焊接

絕緣子的焊接除了采用錫膏，焊料環也是一種很好的選擇，省去了涂抹錫膏這道工序。根據絕緣子形狀選擇內徑2.6 mm、外徑4.1 mm、厚0.1 mm的Sn63Pb37焊料環，將焊料環依次裝入基板安裝孔內，再逐一將絕緣子放入，在數量較大，任務緊的情況下采取焊料環焊接是最佳的選擇。

2.2 微帶板錫膏厚度的解決方案

2.2.1 手工涂抹

外協廠家采用長針蘸取焊膏逐一涂抹到微帶板焊盤的方法，因人工涂抹不能保證錫膏的厚度，過薄會出現開路，過厚會出現短路，而且錫膏量也沒法控制，所以手工涂抹錫膏這一方法不能應用于此項目。

2.2.2 鋼網印刷

此天線的高密度裝配需要對微帶板的焊錫量進行嚴格控制，為了準確的控制錫膏厚度，目前采用鋼網印刷錫膏是最有效可行的手段。目前最常規的鋼網厚度是0.15 mm，此次試驗設計了三種厚度的鋼網：0.1 mm、0.12 mm、0.15 mm，通過印刷及焊點狀態來判斷最合適的鋼網。0.10 mm、0.12 mm的鋼網錫量較少，焊錫包裹插針錫量較小，0.15 mm的鋼網印刷的錫膏量及焊點飽滿程度最適合。

2.2.3 自動鋼網印刷

此次預研項目微帶板數量不多，可以采取手工印刷。而批產需要采用自動印刷技術。使用自動印刷，需要制作一個專用工裝板，將三片微帶板放在上面并且完全嵌入，工裝板的厚度不能大于0.5 mm，尺寸需要和鋼網進行配合設計。

2.3 井字形微帶板裝配

2.3.1 交叉裝配

18片微帶板的裝配成井字形的難度很大，且基板裝配密度大，操作空間狹小。采用微帶板交叉裝配方案，如圖2所示，可以使每個微帶板在固定在基板的同時互相再一次固定，穩固性更好。微帶板在裝配的時候需與基板有45°的斜角插入，對準后再扶正、卡緊，觀察裝配效果良好。

2.3.2 平行裝配后交叉

平行裝配微帶板后再逐一交叉裝配的方案，會使之前已經裝好的微帶板全部重新調整位置，包括與插針的基礎面會有不斷移動，易產生錫膏拖拉等現象，所以本次試驗未采取此方案。

2.4 溫度曲線的設置

溫度曲線是保證焊接質量的關鍵[2]，在回流焊機過程中，溫度是很重要的工藝參數，包括溫度的均勻性及升溫速率等。升溫速率過快，易導致焊料預熱過早或焊料飛濺、引起焊接疲勞、造成可靠性降低；升溫速率過慢，導致助焊劑揮發、活性降低，引起虛焊或焊接不良等缺陷。

一條完整的焊接溫度曲線一般設計為四個區：預熱區、加熱區、回流區和冷卻區。因此，焊接溫度曲線的設計就是根據不同的輸入條件對四個溫區設置合適的參數，達到最佳的焊接效果[3]。

2.4.1 焊接絕緣子的溫度設置

試驗將熱電偶探針固定在絕緣子與基板孔內之間的部位，用高溫膠帶固定。天線在未抹焊膏的情況下進入回流焊爐測試，調整回流焊爐的各區溫度后發現：無論如何設定各溫區的溫度，實測曲線不能與理想溫度曲線擬合，存在一定差異。分析發現，理想曲線針對的是常規印制板焊接器件過程，印制板的導熱性、吸熱性較差，所以在升溫階段可以呈現階梯狀，而本次試驗中的鋁合金基材導熱率、吸熱量比印制板要高很多，所以曲線的升溫階段幾乎是一條直線，無法呈現階梯狀。

采用回流焊接，關鍵是設定回流爐的爐溫曲線[4]，為了得到適合鋁合金基材與絕緣子焊接的溫度曲線，利用溫度曲線測試儀，經多次測量并進行回流爐參數修改，最終設定絕緣子的焊接的曲線。

回流爐各溫區的參數設置詳見表1。

回流爐中峰值溫度設置為275℃，而實際測得鋁合金表面的峰值焊接溫度是214℃，滿足峰值溫度推薦的210℃～225℃。通過錫鉛合金熔點溫度時間為50 s，且焊料熔點的“尖端區”覆蓋面積很小[5]，已滿足溫度曲線回流區設計原則。

表1 回流爐各溫區溫度設置

2.4.2 微帶板焊接溫度設置

微帶板的焊盤和絕緣子均外露，對其表面用熱電偶進行測試，需要的溫度較絕緣子低，和普通印制板焊接溫度相似?；亓鳡t各溫區的參數設置詳見表2。

表2 回流爐各溫區溫度設置

3 實驗過程及結果

3.1 實驗過程

（1）采用單個工裝在絕緣子凸臺面涂覆錫膏，逐一將128個絕緣子裝配到位，用放大鏡檢查已裝配的插針有無歪斜情況；確認全部插針正確裝配后，使絕緣子尖端朝下將鋁基板放在聚四氟乙烯板上，調用絕緣子焊接溫度曲線，使零部件通過回流焊爐，然后自然冷卻。

（2）采用0.15 mm厚鋼網手工逐一印刷18片微帶板，采用45°斜角插入的交叉裝配方式進行裝配，將18片微帶板裝配成井字形并準確定位；采用微帶板焊接溫度曲線通過回流焊爐焊接微帶板，第二次通過回流焊的溫度低于第一次通過回流焊的溫度，所以已焊接的128個絕緣子不會發生焊錫重融甚至脫落現象。

（3）待其自然冷卻，用高倍放大鏡觀察插針與微帶板的焊接情況，焊接成品如圖6所示

圖6 焊接成品

3.2 實驗結果

檢查焊接成品，基板鍍銀面沒有變色；每一個插針與微帶板焊接良好，錫量控制良好，沒有形成錫包；沒有發現多余錫膏與側壁相連的情況；經設計測試，沒有發現短路現象；井字形微帶板裝配焊接緊固。工藝方案及方法的改變，成功攻關了此天線的裝配，達到設計師設計的預期效果。