李亚飞,温桎茹,蒲志勇,张钧翀,张 伟,董 姝,吴 秦
(中国电子科集团公司 第二十六研究所,重庆 400060)
LC滤波器作为射频系统滤波功能器件,其设计及封装结构灵活[1-2]。随着无线通讯设备小型化、高性能的发展,对LC滤波器产品的集成度和质量可靠性提出了更高要求。常规的金属封装类LC滤波器通常将焊接后的PCB电路板通过烧焊方式固定在金属外壳内,并依靠射频引针进行信号导出,装配过程中易出现印制板翘曲变形、电路焊接空洞及电容损伤等问题[3-4],制约了产品体积的进一步缩小,装配效率和产品质量难以得到保证。
目前陶瓷基板凭借介电损耗小,布线密度高及良好的温度特性等优点[5-6],成为了一种理想的高密度集成用主流基板。与常规PCB电路板相比,陶瓷基板具有更高的硬度,生产过程中不易发生变形,能与金属围框直接钎焊连接,形成一体化封装结构,实现较好的机械强度和气密性。在此结构中,陶瓷基板作为封装体的一部分,无需额外对电路基板进行封装[7-8];在高度集成小型化的同时,能有效地提高装配效率,节约封装成本。
本文基于陶瓷基板一体化封装结构的LC滤波器进行了组装工艺方法创新研究,以不同的方式实现了绕线电感和片式电容的预固定,确保元件在焊装过程不会发生移位偏斜,从而实现产品回流焊接的目的,提升了产品生产效率和质量可靠性。
本文研究的LC滤波器将低温共烧陶瓷(LTCC)电路基板与金属围框高温钎焊连接形成一体化封装结构,制成产品的尺寸为12 mm×9 mm×4 mm,产品装配结构如图1所示。因LC滤波器高频特性,其基板采用共焊盘设计,装配时需将绕线电感和片式电容元件焊接在腔体内的基板上,完成调试后采用硅橡胶涂覆固定绕线电感,提升其抗振性能,腔体顶部采用平行缝焊方式实现盖板和围框的密封焊接。
图1 产品装配结构图
该产品为表面贴装使用需求,故内部元器件采用无铅焊料(SAC305合金)高温焊接。元件尺寸小,排布密集,需在狭小的围框内采用手工焊装元件,故生产效率极低,且焊接过程中易发生元件损伤、润湿不良等缺陷,返工则会带来可靠性隐患。此外,在检验合格的产品中,因多次焊接和共焊盘问题也出现了后续试验和使用过程中产品失效的情况。为了提升该类型产品的生产效率和质量可靠性,工艺方法的创新研究迫在眉睫。
随着电子产品微型化,表面贴装技术(SMT)发展日趋完善,回流焊[9-10]作为主流钎焊技术发展迅猛,被广泛应用于组装领域。相比于手工焊接,回流焊接能够实现焊料一次性熔化,避免了元器件的多次焊接热冲击,且具有较好的焊接一致性。因此,确保绕线电感在回流过程中保持竖立及避免共焊盘贴装的片式电容歪斜偏移成为该类型结构LC滤波器装配时需要解决的难题。
本文在回流焊前对元件进行预固定,利用电阻点焊方式对绕线电感引脚进行键合,点涂贴片红胶对片式电容进行粘结,进而实现绕线电感和片式电容在焊盘上的预固定以及元器件的回流焊接,其工艺实现原理如图2所示。
图2 产品装配原理图
2.1 绕线电感点焊
由于绕线电感不具备片式元件的贴装稳定性,所以需要采用特殊方法使绕线电感的引脚与基板保持相对固定。文献[11-12]表明,在合适的工艺参数下使用点焊机可以实现对小线径漆包线的去漆和焊接,焊接后得到细小牢靠的焊点,焊面光滑,焊接件电接触良好。电阻点焊的焊接原理是将被焊工件压紧于两电极之间,利用电流流经工件接触面以及邻近区域产生的电阻热,将其加热到熔化或塑性状态,使之形成金属结合的一种方法。如图3所示,将漆包线引脚和焊盘金属基底作为搭接接头,焊接压头向下施加压力,并施加足量电流经焊接压头传出,电流流经漆包线与焊盘的接触面,产生的电阻热使漆包线发生局部熔化,与焊盘形成冶金结合。
图3 漆包线点焊工作原理图
本文使用的点焊设备由电源发生装置、视屏放大系统、点焊压头和控制踏板组成。点压操作过程在视屏放大系统观察下进行,如图4所示。待焊接的绕线电感采用QA/QY等型漆包线绕制,线径范围为∅(0.1～0.3 mm),引脚弯折长度约1 mm。为降低绕线电感引脚加压键合时所施加的能量,减少对漆包线和陶瓷基板的损伤,将漆包线提前进行搪锡处理,搪锡处理时采用SAC305焊料,与最终回流焊接焊料保持一致。
图4 点焊设备
电阻点焊预固定的实现过程:
1) 输入焊接参数:电压100～120 V,维持时间2～3 s。
2) 调整焊头与电感间的相对位置,焊头施加压力,使电感引脚与焊盘紧密贴合。
3) 踩下控制踏板,焊头释放电流。
4) 完成焊接后升起压头,检验点焊效果。
图5为点焊完成后形成的连接点。电感引脚局部发生少量变形,通过陶瓷基板焊盘和漆包线界面的焊料熔融实现电感引线与基板焊盘上的固定连接,从而保证回流焊接时绕线电感的竖直挺立。
图5 绕线电感点焊形貌
因绕线电感本体自重较大,后续机械和热冲击时会影响其连接界面强度,且产品在调试过程中需要对绕线电感的形状和位置进行重新摆放,这使点压键合界面因受力而导致脱键。单纯依靠键合界面连接难以保证后续应用中的较高可靠性,因此,在该产品装配中点压键合只作回流焊接过程中的绕线电感的引脚固定,其连接强度需依靠引脚位置施加的焊料熔融焊接保证,即后续回流焊接过程。
2.2 红胶粘片
使用贴片红胶粘结片式电容属于较为成熟的SMT工艺制程,红胶施加通常采用喷涂或印刷的方式进行。因本产品基板上金属围框的存在,可选用点胶机(或喷印机)点涂方式在待贴片电容焊盘中间位置涂布红胶。选定合适针头后,依靠调节点胶机气压大小和定时长短来调节红胶涂布剂量。
采取真空吸笔或镊子拾取片式电容进行贴装,严禁裸手触碰,避免影响元件焊端的后续可焊接性。片式电容应贴放在制定焊盘中央,左右和上下偏差在规定范围内。随后将产品置于85 ℃烘箱烘烤30 min,实现红胶固化。图6所示为产品腔内的片电容贴装情况。
图6 片式电容贴装图
2.3 回流焊接
在完成绕线电感引脚点焊、片式电容红胶粘接的预固定工作后,用点胶机在待焊接焊盘和元器件焊端处点涂适量的焊锡膏(SAC305)。焊锡膏以充分包裹焊端和待焊接面为宜。点涂完焊锡膏后,将产品放入回流炉完成回流焊接装配过程,即焊锡膏合金熔化,充分润湿包裹绕线电感引线和片式电容端头,并形成冶金连接。绕线电感引脚焊点的形成过程如图7所示。
图7 绕线电感焊接过程
在回流焊接过程中,由于绕线电感和片式电容与基板的预固定,高温下熔融焊料产生的表面张力及炉腔内的热风不足以使元件发生位移。因此,滤波器内部的元件仍处于预固定的原位置,绕线电感直立无倾斜歪倒,制成的产品实物如图8所示。
图8 装配产品实物
2.4 助焊剂清洗
与常规浅腔式LC滤波器相同,元器件焊接完成后进入清洗工序。因产品的围腔结构,细间距下的助焊剂残留和绕线电感引脚损伤是较常见的问题,甚至比焊接工序对产品生产效率和质量可靠性的影响更大。因此,调研选用对应水基溶剂浸泡30 min,并利用微压水柱进行加压喷淋清洗,代替原有手工刷洗作业,清洗设备如图9所示。使用该清洗方式可在保证助焊剂清洗质量的同时,最大限度地保护绕线电感引脚等易损伤元件,产品清洗效果获得极大改善,检验合格率达到100%。
图9 喷淋清洗设备
由于元器件参数的离散性,需要手工对绕线电感的位置和疏密间距进行调整,调整时应使用非尖锐的塑料镊子和专用工装以避免对绕线电感的漆包线损伤。完成电性能调试后还需对绕线电感点胶固化,并采用平行缝焊的方式将金属盖板封焊在金属围框上端,实现对产品的气密性封装,最终完成制作。
在完成上述工艺设计及验证的基础上,基于陶瓷基板一体化封装结构进行LC滤波器设计,并开展了试验验证。
3.1 电学性能设计
本文设计了一款标称频率为175 MHz,-1 dB带宽为20 MHz的六阶椭圆函数带通滤波电路,设计指标要求如表1所示。电路采用六阶椭圆函数低通滤波器,通过节省绕线电感绕组的带通变换,得到最终电路拓扑结构如图10所示。该结构能够实现高矩形系数和低插入损耗的电学性能,远端带外抑制效果好,同时具有较小绕线电感数量的特点,便于产品体积小型化和工艺装配操作。
表1 设计指标要求
图10 六阶椭圆函数带通滤波器
3.2 指标测试
采用本文工艺制作滤波器实物,并对其进行相关可靠性试验,产品的测试结果如图11所示。由图可知,产品试验前后测试曲线吻合较好,-1 dB带宽为25 MHz,插入损耗小于3 dB,在f0±40 MHz处带外抑制为53 dBc,在800～1 000 MHz处带外抑制为80 dBc,与表1设计要求相符。电性能指标跟理论仿真结果略有差异,其原因在于理论仿真时未考虑封装腔体射频反射、绕线电感的寄生参数及其之间互感因素,在后续迭代版本中可进行优化改善。
图11 产品实测曲线图
3.3 生产检验
对产品生产过程进行跟踪记录,并对元器件焊接和清洗质量进行检验,统计生产合格率。装配要求元器件无损伤和偏移歪斜;焊点光亮润湿,无虚焊、少锡等缺陷;清洗洁净,无助焊剂残留等多余物。采用本文工艺方案装配60只LC滤波器,检验合格率达到100%,能有效避免因焊接和返工导致的可靠性风险。
4.1 温度和力学试验
温度和力学试验能够起到提早暴露产品潜在缺陷的作用,是考察产品可靠性的有效手段。表2为产品的筛选试验条件(试验一)及试验结果。从通过筛选试验的样本中随机抽取6只进行加严考核,表3为产品的加严考核试验条件(试验二)及试验结果。由表3可见,基于该工艺方案装成的LC滤波器电指标稳定,合格率为100%,满足高可靠应用场景的要求。
表2 筛选试验项目(试验一)
表3 加严考核试验项目(试验二)
4.2 片式电容剖样
片式电容器是由印刷电极金属浆料和陶瓷介质叠层烧制而成,因陶瓷的韧度及耐弯曲能力差,极易出现陶瓷体断裂或微裂纹失效[13]。尤其当微裂纹出现在陶瓷内部时,电性能测试和筛选试验难以有效剔除该类型缺陷,进而影响产品的应用可靠性。
在试验二中随机抽取2只LC滤波器,采用破坏性物理分析方法对内部的片式电容进行DPA试验,典型金相形貌如图12所示。试验后的LC滤波器,片式电容的陶瓷体完好无裂纹,表明该工艺方案制成的LC滤波器能够耐受严苛的试验条件,没有片式电容陶瓷体微裂纹的失效隐患,具有较高的可靠性。
图12 片式电容DPA金相
综上所述,本文所开发的陶瓷基板一体化封装的LC滤波器装配工艺成熟稳定,操作一致性高,能够满足批量生产的要求,制成的产品具有较高的可靠性,现已被应用于严格环境中。
本文借助电感压焊和红胶粘片方式完成绕线电感和片式电容的预固定,实现了陶瓷基板一体化封装结构的LC滤波器回流焊接开发。采用微压水柱完成细间距助焊剂清洗,指标调试后平行焊封装成产品。对于该类陶瓷基板一体化封装结构的LC滤波器,本文工艺方案能够保证较高的装配成品率和产品可靠性,满足批量化生产需求。
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