相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法技术

本发明专利技术提出的一种相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法，旨在提供一种可有效避免多层敷铜基板焊接质量不稳定的焊接方法。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：制备一个与多层敷铜基板外形一致的工装及其圆阵分布在工装基座的L形夹具；腔体结构件正面焊接区域施加钢网印刷焊料，并放置加热器的回流加热板上；制备一个与多层敷铜基板外形一致的工装及其圆阵分布在工装基座的L形夹具；多层敷铜基板表面安装有SMP焊接面朝上，固定在工装基座凸起面，在腔体结构件反面SMP安装孔内放置焊料环、SMP射频接插件及施加助焊剂；多层敷铜基板背面搪锡，将多层敷铜基板用销钉固定在涂有助焊剂腔体结构件焊接面，置于加热器的回流加热板上；热回流正面焊接多层敷铜基板与腔体结构件，同时对腔体结构件腔体背面焊接SMP射频接插件。

Welding method of multilayer copper substrate for phased array active antenna array

The invention provides a phased array active antenna array multi-layer copper substrate welding method, aiming at providing a welding method which can effectively avoid the unstable welding quality of multi-layer copper substrate. The invention is realized by the following technical scheme: the preparation of a L shaped clamp and multilayer copper-clad substrate shape tooling and fixture base distribution in circular array; positive welding regional imposed stencil solder cavity structure, reflow heating plate and placed on the heater; the preparation of a L shaped clamp with the multilayer copper substrate shape tooling and fixture base distribution in circular array; multilayer copper substrate surface mounted SMP welding up, tool base is fixed on the convex surface, the cavity structure in the opposite SMP mounting holes placed inside the solder ring, SMP RF connectors and applying multilayer copper flux; the back of the substrate to tin copper substrate, multilayer pin is fixed on the surface coated with welding flux cavity structure, the heating plate is arranged on the reflux heater; heat reflux positive welding copper substrate and multilayer cavity structure At the same time, the SMP radiofrequency connector is welded to the back of the cavity structure.

【技术实现步骤摘要】
相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法
本专利技术涉及一种相控阵有源天线阵面14mm×216㎜×3.5㎜大尺寸多层敷铜基板4焊接工装及其金属载体和射频连接器一体化焊接工艺方法。
技术介绍
随着微电子技术与大规模集成电路的迅猛发展，使天线成为电子设备中庞大、笨重部件的问题变得突出，对能与设备大小协调且具有有效电性能的小天线的需求愈加迫切。毫米波相控阵天线越来越轻薄且朝着共形弯曲方向发展。毫米波二维有源相控阵天线其特点是规模大，集成度高，要求设备小型化和适应平台安装。通常实现高密度集成二维有源相控阵天线，按电路组装形式划分两种：横向集成纵向组装即“瓦式”；纵向集成横向组装即“砖式”。瓦式相控阵方式是将MMIC分布在与天线口径面平行的平面内，通过纵向的层叠组装形成相控阵列。机间数据链天线、卫星通信天线、无人机卫星通信机载端机收发天线等采用了的带相控阵天线体制，虽有天线罩保护与密封处理，天线内部结构仍有可能暴露于空气中，系统长期可靠性仍存较大隐患。在结构和工艺方面，体现为微带天线阵面的尺寸随着天线孔径及阵元数量的增加而增大，微带天线阵面形状的复杂度和精度随着工作频率的提高而增加，天线阵面的装配可靠性需求随着天线位置由舱内向舱外共形的演变而增加。毫米波相控阵天线体制由信号传输面、接地面与金属化接地孔，表面安装封装SMP焊点组成，有源正面电路，而且天线阵面内排布的T/R模块数量多，天线阵面上分布着成千上万个T/R组件，它们排列紧凑，散热空间小，这使得天线阵面的热流密度很大，若这些热量不能及时从天线阵面带走，会导致天线阵面温度升高，引起T/R组件性能下降甚至失效。毫米波相控阵微带天线通常采用有300个以上6SMP射频接插件6，有源天线阵面通常雅龙的CLTE-XT系列与泰康利TSM-DS3PTFE系列多层敷铜基板4，总厚度为0.55～3.3mm，基板尺寸大小不等，目前电路基板最大尺寸有14mm×216㎜×3.5㎜，有源电路80多个，SMP射频接插件6、多层敷铜基板4与镀银腔体结构件8焊接。多层有源阵面基板上电路设计密度高，焊料量是整个焊接过程关键点之一，焊料量极难控制。由于基板尺寸大且厚，焊接压力很难控制。微带天线是近30年来逐渐发展起来的一种新型天线。常用的微带天线是在双面敷铜低损耗介质基板(如聚四氟乙烯玻璃纤维布基板(PTFE)上,一面作为金属接地板,另一面通过光刻腐蚀等方法制作出一定形状的金属贴片,利用微带线和轴线探针对贴片馈电。该天线阵采用一分四不等功分器和4根同相电缆组成馈电网络,将4个微带天线子阵合成为总阵。相控阵微带天线组装非常复杂，PTFE印制电路板又厚有大，基板焊透率、对位精度及SMP短路极难控制，结构件上需焊接300多个以上的SMP，要求焊接印制电路板与表面安装封装SMP连接器时，焊料不能流入空气腔，而且一个都不能短路，若焊接温度、时间、压力及焊料量相互匹配的参数控制不当，就会造成焊接失败。固大尺寸、多层有源基板焊接是微组装工艺技术中关键工序之一，组装难度非常大。相控阵天线面向工艺提出大面积、高可靠连接的挑战并且未来挑战的难度还将不断上升。对于微带天线阵面这一结构功能件，在微带板与结构件的装配上，由于天线的空间较小，一般螺装方式难以实现连接，可通过配合较成熟的焊接等工艺。但是由于焊接器件多而电路布局密度高且复杂，实现阶梯焊需要合理设计安装顺序及温度梯度，这也是设计的难点之一。当前行业内可选方法为螺装、胶接和焊接。但是面对当前大面积、高可靠连接需求，这三种连接工艺方法目前均存在较大问题。螺装方法工艺简单、速度快、成本低、可修复，但从原理上讲螺装无法满足大面积的可靠连接需求。螺钉通过机械上的局部施压连接微带板和金属载体，螺装连接后，特别是连接面积大、螺钉数量有限时，结合面上仍会存在大量的空气间隙，高频特性下会对微带板及电路组件的电性能造成严重影响。另外螺装连接的结合力很难掌握，结合力不足会造成连接不紧密，结合力太大会造成应力集中使微带板发生局部变形或开裂。胶接方法是多层板层压工艺在异种材料间的推广应用。层压工艺方法在真空条件下固化粘接材料，能够达到“无空洞”的良好胶接效果。但是受限于粘接材料自身理化性能及特点，粘接工艺方法的长期可靠性不高。工程上根据需求不同可选用热固/塑性的粘接材料，材料的导电性质可通过添加金属颗粒(如银粉)来实现。热塑性材料由于受热后会发生软化变形或重融现象，应用范围窄。最常选用的环氧类热固性粘接材料，其最大的特点是低温脆性，当微带板和金属载体的热胀系数相差较大时，长期高低温条件下会使胶接层产生裂纹，长期可靠性不高。虽然，焊接工艺方法的导电、导热性能和连接强度一定程度上优于胶接并且在长期可靠性上优势明显。但目前实现微带天线阵面大面积焊接工艺技术方面尚不成熟，主要体现在以下四个方面：焊料的形状的选择，当前工艺方法主要依靠铅锡焊片的方式实现焊料的施加及控制，焊片需要用激光切割焊接腔体形状，切割过程造成第二次污染，即便是清洗，也很难去除干净，导致基板与腔体的浸润效果差、大面积空洞。焊透率十分有限，由于PTFE印制电路板厚且大，焊料量、焊接压力、焊接时间之间相互匹配参数无法准确控制，就会造成短路或者焊透率低，一般不高于50％，无法满足未来高频段微带板对焊透率和可靠性的高要求。阶梯焊接质量不可控大尺寸、多层有源基板与SMP射频接插件6不在同一焊接面，采用阶梯焊接方式焊接，锡银铜焊接基板与腔体正面，铅锡焊接SMP射频接插件6腔体背面，存在几个方面飞问题：一是锡银铜焊料浸润性与扩散性较差；二是通过二次回流焊接空洞增加，三是工装设计、装配复杂，一个压接基板的工装，一个焊接SMP的工装，上下两层工装固定安装，导致整个焊接的体积增大，厚度增加，焊接时间也随之增加，基板镀银层发生改变，助焊剂挥发殆尽，又没有排气通道，而且在焊接过程也不可视。在工装设计及安装顺序方面，当前工装的设计主要应用弹簧工装控制压力，且弹簧密度较高，导致压力过大或过小，过大焊料全部溢出到SMP孔内，过小基板与腔体之间有微缝，导致焊接不良。其次是工装设计安装顺序，基板电路面朝上，基板焊接面与腔体的贴合状态基本无法判断，一是导致压力盲目，二是焊接内部无排气通孔，致使焊接失败。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种能够实现大尺寸、多层敷铜基板焊接，并能有效提高焊接效率和质量，可有效避免上述因素导致的一系列成本、管理和焊接质量不稳定的影响的焊接工装及其焊接方法。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到，一种相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法，其特征在于包括如下步骤：制备一个与多层敷铜基板4接触面外形一致的工装及其圆阵分布在工装基座2的L形夹具3，且每个L形的长边在周向上指向圆心；多层敷铜基板4与表面制有有源电路开孔7和封装SMP射频接插件6不在同一焊接面，无源电路面朝下，表面安装有SMP焊接面朝上，多层敷铜基板4与非金属保护垫5固定在工装基座2凸起面，在支撑屏蔽天线、TR组件的腔体结构件8反面SMP安装孔内放置焊料环、SMP射频接插件6及施加助焊剂，采用棉花球1堵塞SMP射频接插件6安装孔，使其焊料环、棉花球之间孔紧密结合无松动；然后在腔体结构件8焊接区域位置上施加钢网印刷焊料，再将钢网印刷焊膏涂覆到多层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法，其特征在于包括如下步骤：制备一个与多层敷铜基板(4)接触面外形一致的工装及其圆阵分布在工装基座(2)的L形夹具(3)，将表面制有不在同一焊接面的有源电路开孔(7)和封装有SMP射频接插件(6)的多层敷铜基板(4)有源阵面朝上，无源天线阵面朝下，固定在工装基座(2)凸起面上；然后在支撑屏蔽天线、TR组件的腔体结构件(8)反面SMP安装孔内放置焊料环、SMP射频接插件(6)上施加助焊剂，采用棉花球(1)堵塞SMP射频接插件(6)安装孔，使其焊料环、棉花球之间孔紧密结合无松动；其次在腔体结构件(8)焊接区域位置上施加钢网印刷焊料，将钢网印刷焊膏涂覆到多层敷铜基板(4)与腔体结构件(8)的焊接面，放置于加热器(9)的回流加热板(10)上加热，待焊料全部熔融均匀流平，取下腔体结构件(8)冷却，备用；在多层敷铜基板(4)背面搪一层致密、均匀、连续的涂覆锡层，并备用；将多层敷铜基板(4)用销钉固定在涂有助焊剂腔体结构件(8)焊接面，并调整L形夹具(3)的端向螺栓压力，使其多层敷铜基板(4)与工装紧密结合，再置于回流加热板(11)上；通过回流加热板(11)产生的热回流正面焊接多层敷铜基板(4)与腔体结构件(8)，同时对腔体结构件(8)腔体背面焊接SMP射频接插件(6)，观察焊料熔融状态和焊缝状态，视其焊料熔融状态及与腔体结构件(8)的微间隙状态，调整L形夹具(3)固定多层敷铜基板(4)的压力，将多层敷铜基板(4)与SMP射频接插件(6)有源阵面一体焊接。...

【技术特征摘要】
1.一种相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法，其特征在于包括如下步骤：制备一个与多层敷铜基板(4)接触面外形一致的工装及其圆阵分布在工装基座(2)的L形夹具(3)，将表面制有不在同一焊接面的有源电路开孔(7)和封装有SMP射频接插件(6)的多层敷铜基板(4)有源阵面朝上，无源天线阵面朝下，固定在工装基座(2)凸起面上；然后在支撑屏蔽天线、TR组件的腔体结构件(8)反面SMP安装孔内放置焊料环、SMP射频接插件(6)上施加助焊剂，采用棉花球(1)堵塞SMP射频接插件(6)安装孔，使其焊料环、棉花球之间孔紧密结合无松动；其次在腔体结构件(8)焊接区域位置上施加钢网印刷焊料，将钢网印刷焊膏涂覆到多层敷铜基板(4)与腔体结构件(8)的焊接面，放置于加热器(9)的回流加热板(10)上加热，待焊料全部熔融均匀流平，取下腔体结构件(8)冷却，备用；在多层敷铜基板(4)背面搪一层致密、均匀、连续的涂覆锡层，并备用；将多层敷铜基板(4)用销钉固定在涂有助焊剂腔体结构件(8)焊接面，并调整L形夹具(3)的端向螺栓压力，使其多层敷铜基板(4)与工装紧密结合，再置于回流加热板(11)上；通过回流加热板(11)产生的热回流正面焊接多层敷铜基板(4)与腔体结构件(8)，同时对腔体结构件(8)腔体背面焊接SMP射频接插件(6)，观察焊料熔融状态和焊缝状态，视其焊料熔融状态及与腔体结构件(8)的微间隙状态，调整L形夹具(3)固定多层敷铜基板(4)的压力，将多层敷铜基板(4)与SMP射频接插件(6)有源阵面一体焊接。2.如权利要求1所述的相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法，其特征在于：焊料选用63Sn37Pb合金焊料焊膏，腔体结构件8表面为镀金层或镀银层。3.如权利要求1所述的相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法，其特征在于：钢网厚度为0.16～0.18㎜，钢网尺寸收缩15％-25％。4.如权利要求1所述的相控阵有源天线阵面多层敷铜基板焊接方法，其特征在于：当SMP射频接插件(6)焊料环是φ2.5，焊料直径为φ0.38mm，棉花球直径为φ4，棉球高5mm，使用镊子按压SMP安装孔四周的棉球，使其焊料环、SMP棉花球之间孔紧密结合。5.如权利要求1所述的相控...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖凡，林佳星，何小峰，林奈，王文川，陈中良，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51