微波組件殼體激光封焊工藝研究

谷俊園

摘要：微波組件作為現代雷達的核心部件，其工作可靠性是保證雷達系統性能的關鍵。微波組件采用先進的微波多芯片組裝技術，大量使用微波裸芯片，為保護這些芯片和封裝的金屬鍍層免受環境腐蝕和機械損傷，它們必須密封在微波殼體內，才能長期保持微波組件高的可靠性和穩定性。常用的密封方法有：環氧膠粘接、軟釬焊、平行縫焊、電子束焊接和激光焊接等。與其它密封方法比較，激光焊接具有能量密度高、熱影響區小、無機械接觸應力、致密性好和易于拆蓋返修等優點，廣泛應用于航空和航天等軍用電子領域微波組件的密封。

關鍵詞：微波組件；激光；封焊工藝

由于微波封裝和電路組裝技術具有高密度化、高速化和高可靠性等特點，因此極大地促進了微波組件從獨立系統向網絡化發展，從集中向分散發展，從模擬向數字化方向發展。通過微組裝技術，采用微焊接和封裝工藝將各種微型化片式元器件和半導體集成電路芯片組裝在高密度多層互連基板上，形成高密度、高速度和高可靠性的三維立體機構的高可靠微波組件，也是實現電子站系統小型化、多功能化和高性能的最有效途徑。

1 激光焊接機理和特點

激光焊接是將高強度激光束直接輻射至材料表面，通過激光與材料的相互作用，使材料局部熔化實現焊接。根據激光束功率密度的高低、作用時間的長短，激光焊接分為熱傳導焊和深熔焊兩種形式。

1.1 熱傳導焊

激光束將材料表面加熱至熔點與沸點之間，焊接時，材料將吸收的光能轉變為熱能而加熱熔化材料，使材料表層的熱以傳導方式繼續向材料深處傳遞，直至將兩個待焊件的接觸面互熔并焊接在一起。這種焊接機理稱為熱傳導。熱傳導焊的主要特點是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被材料表面反射，光的吸收率較低，焊接熔深淺，速度慢，主要用于薄（厚度<2.54mm）小焊件的焊接加工。

1.2 深熔焊

在蒸汽壓力的作用下，熔化金屬被排擠在激光束周圍，使照射處呈現出一個凹坑。隨著激光束的繼續照射，凹坑愈來愈深而形成深穿型的圓孔空腔，激光可以透過小孔的金屬蒸汽直射孔底。當激光停止照射后，小孔周邊熔化的金屬重新流回到小孔里，冷卻凝固后即將兩個待焊件焊接在一起。這種焊接機理稱為深熔焊。這兩種激光焊接機理，與功率密度、作用時間、材料性質和焊接方式等因素有關。當激光功率密度較低、作用時間較長而焊件較薄時，通常是以熱傳導焊機理為主進行焊接的。反之則是以深溶焊機理為主進行焊接。

2 主要工藝參數

2.1 激光功率

激光功率是激光封焊最重要的參數之一，其數值的大小直接決定了焊縫的熔深。激光功率過低，熔深數值很小，極易造成未焊透等情況，且焊縫強度很低，在低氣壓測試時會造成蓋板變形，氣密性無法保證；激光功率過高，會造成熔池金屬飛濺，嚴重的會導致殼體焊穿，損壞內部器件和電路等，直接造成模塊的報廢。

2.2 焊接速度

焊接速度也是激光封焊的重要參數之一，選擇合理的參數直接決定了焊縫的成型。焊接速度越高，光斑重合率低，容易發生裂紋或未熔合等缺陷；焊接速度太低，光斑重合率接近100%，但會造成能量局部過高，而產生氣孔等缺陷。一般情況下，為了獲得較高的焊縫強度，光斑重合率一般設定為50%～60%，而為了獲得焊縫的氣密性，光斑重合率設定為70%～80%為宜。

2.3 激光頻率

激光頻率與焊接速度兩個參數共同決定了光斑重合率的大小。為了獲得光斑重合率在70%～80%，經過理論計算等前期工作，發現針對文中所用的激光封焊設備，焊接頻率是焊接速度的5～6倍可以基本滿足。但不同的設備和不同的光斑尺寸等選用的參數會不同。

3 實驗分析3.1 試驗方法

將試驗件激光焊接后，在顯微鏡下觀察焊縫外觀是否良好，判斷焊縫是否存在氣孔和裂紋等焊接缺陷；采用氦質譜檢漏儀進行氣密性檢測，判斷是否滿足焊接密封要求；通過溫度沖擊和機械振動等環境試驗，評估溫度交變和振動疲勞對焊縫質量的影響。

3.2 試驗研究及分析

1）功率對焊縫的影響。在激光封焊工藝操作中，由于參數眾多，且互相影響，而功率是眾多參數中最先需要確定的。因此，選用一定范圍的功率參數進行激光封焊，在焊接過程中發現，當功率大于4.0kW時，會產生大量的飛濺，焊縫不美觀，且會有塌邊的現象，極易造成焊穿，損壞組件內部的器件或電容，造成整個模塊的損壞甚至報廢。而選用2.0kW的功率時，對焊縫外形進行分析，光斑重合率較低，無法保證氣密性及成品率。因此，綜上所述，選用2.5～3.5kW的功率，是相對合理的參數。

2）材料表面狀態對激光焊接密封質量的影響。為提高封裝材料的可焊性和耐腐蝕性，通常在封裝殼體和蓋板表面進行化學鍍鎳金處理。試驗發現，鍍金層對焊縫的負面影響較大，會產生焊縫裂紋現象，這主要是由于在激光焊接過程中，鍍層金屬和鋁合金熔化在一起，產生了復雜的冶金反應，而鍍層金屬原子與鋁合金無法形成新的合金相，導致鍍層殘余金屬原子都聚集在鋁合金相的晶界部位，形成微裂紋擴展的裂紋源。因此，焊縫區表面應避免金鍍層。

3）焊接工藝參數對激光焊接密封質量的影響。激光焊接工藝參數主要包含激光功率、脈沖寬度、脈沖重復頻率、焊接速度和離焦量等。這些工藝參數共同影響著激光焊接密封的質量，并相互制約相互影響。因此，確定合理匹配的焊接工藝參數是有效控制激光焊接密封質量的有效措施。

綜上所述，文中選用特定型號的鋁合金進行激光封焊研究，探討了工藝參數對焊接效果及氣密性的影響，得出了結論，對同類材料的鋁合金激光封焊有一定的指導作用。但激光封焊的工藝研究是相當復雜的，如蓋板的尺寸與厚度、蓋板與殼體的材料、結構設計和匹配程度等均對激光封焊焊接效果有一定的影響，值得后續進一步深入研究。

參考文獻：

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