電纜用射頻SMP連接器內導體焊接仿真及參數優化

呂 崢 王 曦 賀鵬程 王 革 常 健 王常馀

（北京華航無線電測量研究所， 北京 102488）

0 引言

超小型推入式連接器（Subminiature Push Connector， SMP）具有裝配時間短、適用頻帶寬以及占用體積小的特點，廣泛應用于航天航空、廣播通信等領域，能發揮機械連接和信號傳輸的重要作用。隨著傳輸頻率的不斷提高，對同軸SMP連接器的低互調、低反射以及低損耗提出了更高的要求。連接器焊接過程的一致性和均勻性會直接影響阻抗的連續性，為了確保信號的完整性和準確性，需要對焊接質量進行控制。

根據VIANCO P T等人的分析，電纜組件63%的微裂紋、氣孔等缺陷發生在內導體焊接接頭中。與外導體焊接相比，內導體外徑直接影響特性阻抗，且其尺寸更小，在焊接中更難控制。因此，內導體焊接工藝對信號傳輸的可靠性起決定性作用。吳瑛等人針對板間SMP連接器設計了焊接工裝，提高了釬透率。張堅華等人則基于阻抗焊臺，從焊接溫度、焊接高度等方面完善了彎式SMA連接器的焊接工藝。上述研究均從設備入手對焊接工藝進行優化，但針對電纜用連接器焊接過程中參數進行定量化分析的研究較少。

該文從射頻SMP連接器入手，基于多維度仿真并結合焊接試驗分析了焊料熔化及充型過程，確定了焊接參數和焊接方法，提高了焊接的一致性，以保證高頻信號傳輸的穩定性。

1 焊錫絲熔化及焊接仿真分析

在高頻電纜組件的制造過程中，可以采用阻抗焊機焊接細小的內導體。當使用小型阻抗焊機焊接內導體時，首先需要選擇適宜的功率。其次，在焊接過程中，可以將電纜直接插入內導體，并由過錫孔填充焊錫進行焊接（稱為焊錫孔填充法）。還可以用阻抗手柄夾持內導體圓周表面，將焊錫絲由后端插入內導體，待焊錫絲接近熔化時，將電纜作為“活塞”，由后端插入內導體進行焊接。壓入過程采用間斷性加熱的方式，保證焊錫絲不會快速凝固。最后，刮除由內導體過錫孔溢出的焊錫。

在焊接過程中，阻抗焊機的功率參數起到重要作用。當功率過大時，升溫速率快，常規焊接時間內容易對內導體造成損傷；同時，熔化速度也會加快，焊錫絲進給量不易控制，當缺乏重力及全封閉殼體的約束時，焊錫易直接溢出甚至包裹內導體，導致產品報廢。在實際焊接中，操作者常根據內導體尺寸、焊錫絲直徑設定功率參數，參數選擇缺乏理論依據，變化范圍較大且一致性較差。為了提供定量化參照，該文采用Jmatpro軟件對Sn-Pb共晶合金物性進行計算，并基于Comsol對焊錫絲在不同功率下的相變進行分析。

仿真過程中將物性參數以插值形式輸入模型中，根據實際條件選擇電流-傳熱耦合物理場模式并設置相應的對流及輻射換熱條件。CXN3506電纜配套內導體一般填充0.20 mm~0.50 mm的焊錫絲，因此在Comsol中構建直徑為0.38 mm、長為0.50 mm的焊錫絲模型。當功率設定為25 W時，焊錫絲溫度分布如圖1所示。由圖1可知，橫截面方向的溫度梯度沿徑向分布，溫度梯度較小，且初始時刻外層溫度較高（圖1（a）），隨后變為中心溫度較高（圖1（b））。初始時刻，由于外部直接與阻抗焊接設備接觸，因此外圍溫度較高；在隨后的過程中，外部與環境直接接觸，率先發生對流和輻射換熱，導致功率產生的熱量集中在內部。軸向溫度分布均勻，不存在溫度梯度（圖1（c））。其原因是Sn-Pb合金屬于良導體，電功率可以迅速“穿透”長度為0.5 mm的Sn-Pb焊錫絲，最終焊錫絲在軸向不存在溫度梯度。

圖1 軸向和徑向溫度分布

由于軸向溫度分布一致且徑向溫度梯度較小，因此僅選擇中心位置作為測溫點，得到功率為25 W時焊錫絲的升溫速率如圖2（a）所示。由圖2（a）可知，在恒定功率下，溫度幾乎呈線性升高，當時間大約為8 s時出現轉折點，材料比熱容降低、升溫速率增大，當時間大約為8 s時焊錫絲開始熔化。由相變分析結果可知，熔化曲線如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，當時間大約為8 s時焊錫絲開始熔化，與升溫速率的突變點一致。在實際焊接過程中，焊錫絲從連接器內導體后端插入電纜內芯的功率輸入是間斷性的。根據試驗結果可知，在內導體后端插入焊錫絲及電纜焊接過程中，開關開啟的有效時間大約為7 s，因此25 W的功率適用于內導體焊接。如果所需加熱時間過長，那么在納觀角度中，鈹青銅內過飽和固溶體中的溶質原子容易在熱力學過程中析出，甚至發生相變，導致其性能發生變化，易造成失效隱患。在微觀角度中，材料的晶粒可能會通過吞并等方式長大，使力學性能大大降低。在宏觀角度中，長時間的高溫會對材料的疲勞性能、力學性能造成不利影響。

圖2 長度為0.5 mm焊錫絲采用25 W功率輸入時的相變特性

將焊錫絲長度分別調整為0.2 mm、0.3 mm，功率相同時的相變計算結果如圖3所示。由圖3可知，二者熔化時間與焊錫絲長度為0.5 mm時的熔化時間接近，說明當采用實際進給量（0.2 mm~0.5 mm）焊接射頻連接器內導體時，熔化時間與焊錫絲長度無關。一方面，由于阻抗焊接產生的熱量高于0.2 mm~0.3 mm量級焊錫絲的熔化吸熱量，因此三者熔化時間相同。另一方面，焊錫絲主要材料是共晶Sn-Pb合金，其熔點為固定值且熱導率較大，當電阻產熱達到熔點時，可以迅速遍及整體。同時熔化潛熱存在時間短，不會因熱流而造成較大的影響。綜上所述，在實際焊接過程中必須根據連接器構型手動控制進給量，并設定合理的功率參數，以控制加熱時間。

圖3 采用25W功率輸入對應的熔化時間

在此基礎上，對過錫孔填錫、后端填錫2種方式進行仿真分析。當由過錫孔填錫時，流場分布如圖4（a）所示，其充型過程中流速分布復雜，且前沿界面不平整，存在較大的紊流傾向，出現裹氣的可能性較大。不同位置的填充時間如圖4（b）所示，不同位置的充型時間差異較大且隨空間分布沒有明顯的規律性，說明流動狀態不穩定。通過仿真計算，過錫孔頂部最終會存在連續的微小孔洞，如圖4（c）所示。一方面，除澆口附近因重力必然存在的較大速度差外，液態金屬在其他部位的徑向、軸向均存在不規則的流動速度分布，容易造成卷氣現象。另一方面，由于充型凝固時間長，可能出現網狀結晶，因此導致最終凝固部位的液體無法補縮，從而會產生小氣孔。

圖4 過錫孔填錫

在由后端填錫的充型過程中，電纜內導體發揮活塞的作用；在凝固過程中，電纜內導體又發揮型芯的作用。內導體外殼則直接與金屬液接觸，作為模型強化散熱。因此該過程與壓力鑄造充型過程相似，通過Procast軟件進行分析，設置電纜插入速度為5 mm/s，充型過程中的流場分布如圖5所示。與過錫孔填錫相比，后端填充時流速明顯提高，充型凝固速度加快。在流動過程中，流體沿電纜內導體邊緣向腔體移動，由于受重力影響，因此流動過程中下方填充量更大。但大部分區域的流速較為均勻，前端界面較為平齊。由圖5（c）可知，整體填充時間沿后端至前端呈線性梯度分布，與流動順序一致，即呈現順序凝固特性，有利于氣孔的補縮。根據首次氣體仿真結果可知，后端填錫時容易在型腔前端尖角處出現單一小氣孔。為此，在連接器內導體前端設置了通氣孔，以保證氣體的順利排出。此外，在焊錫填充時焊錫絲的進給量應適當過量，確保焊錫絲可以全部充滿，保證氣孔出現在最后凝固的內導體尾端；同時，須保證輸入功率適當，加熱時間充足，避免因焊凝固時間過短而導致氣體無法排出，最終確保無氣孔產生，如圖5（d）所示。

圖5 后端填錫

2 內導體焊接試驗

當采用25 W的功率和5 mm/s左右的電纜插入速度由后端進行焊接時得到內導體的宏觀形貌如圖6所示。連接器內導體外層未出現肉眼可見的損傷，證明當功率為25 W時的加熱時間適宜。焊點的宏觀表面焊錫飽滿，且過錫孔處未出現縮孔現象，說明焊接過程中焊錫填充量足夠，冷卻導致的體積收縮現象產生于尾端，不會對影響阻抗連續性的內導體外徑產生影響。

圖6 焊點宏觀形貌

此外，焊點內部的孔洞會對電磁波傳輸質量產生較大干擾。在力學性能方面，孔洞會導致焊點機械強度下降，產生應力集中現象。在電氣性能方面，孔洞不僅會導致電導率降低、集膚深度增大，而且還會引起寄生電容，使阻抗降低，產生反射損耗。根據IPC相關標準可知，微孔洞剖面面積不能大于焊點面積的25%。

微孔洞主要來源于2個方面：1） 助焊劑或氧化物等物質在升溫過程中發生化學反應或汽化產生的氣泡。2） 因充型過程不穩定從而裹入的氣體。針對內部反應產生的氣孔，需要嚴格控制助焊劑的使用類型和用量，避免采用AR型助焊劑，且不需要在焊接中額外添加助焊劑。針對卷入的氣孔，一方面需要控制環境濕度，另一方面需要保證有順暢的通道且有足夠的時間來排出氣體。因此與仿真過程相對應，內導體結構上應設置合理的排氣孔，并采用適當過量的焊錫絲使氣孔出現在最后凝固的內導體尾端。此外，須控制功率和電纜插入速度，以保證充型的平穩性。采用后端填充內導體方法進行焊接后不同樣品的X光照片如圖7所示。在該焊接條件下采用約5 mm/s的電纜插入速度可以保證充型盡可能的平穩。同時，壓入的電纜內導體相當于對凝固過程施加了額外的壓力，可以促進金屬液補縮，減少微孔洞缺陷。當設定阻抗焊臺輸入功率為25 W時，焊錫絲進入插針的升溫時間與電纜插入后熔化時間之和約為7 s，在保證連接器內導體不受熱影響的前提下，提供了充分時間以供氣體排出。最終焊錫釬透率高，不存在孔洞缺陷和填充不飽滿的現象，驗證了參數選擇的合理性。

圖7 焊點X光照片

3 結語

該文基于仿真計算和物理試驗分析了焊接的流動充型及凝固過程，得到了以下3個結論：1） 當采用實際的進給量焊接細小的連接器內導體時，熔化時間與焊錫絲長度無關。2） 由后端填充適當過量的焊錫絲，采用插入電纜并焊接內導體的方法可有效降低氣孔產生的可能性。3） 內導體阻抗焊接的適宜功率為25 W，電纜插入速度大約為5 mm/s。