微波组件壳体激光封焊工艺研究

摘要：微波组件作为现代雷达的核心部件，其工作可靠性是保证雷达系统性能的关键。微波组件采用先进的微波多芯片组装技术，大量使用微波裸芯片，为保护这些芯片和封装的金属镀层免受环境腐蚀和机械损伤，它们必须密封在微波壳体内，才能长期保持微波组件高的可靠性和稳定性。常用的密封方法有：环氧胶粘接、软钎焊、平行缝焊、电子束焊接和激光焊接等。与其它密封方法比较，激光焊接具有能量密度高、热影响区小、无机械接触应力、致密性好和易于拆盖返修等优点，广泛应用于航空和航天等军用电子领域微波组件的密封。

关键词：微波组件；激光；封焊工艺

由于微波封装和电路组装技术具有高密度化、高速化和高可靠性等特点，因此极大地促进了微波组件从独立系统向网络化发展，从集中向分散发展，从模拟向数字化方向发展。通过微组装技术，采用微焊接和封装工艺将各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片组装在高密度多层互连基板上，形成高密度、高速度和高可靠性的三维立体机构的高可靠微波组件，也是实现电子站系统小型化、多功能化和高性能的最有效途径。

1 激光焊接机理和特点

激光焊接是将高强度激光束直接辐射至材料表面，通过激光与材料的相互作用，使材料局部熔化实现焊接。根据激光束功率密度的高低、作用时间的长短，激光焊接分为热传导焊和深熔焊两种形式。

1.1 热传导焊

激光束将材料表面加热至熔点与沸点之间，焊接时，材料将吸收的光能转变为热能而加热熔化材料，使材料表层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊件的接触面互熔并焊接在一起。这种焊接机理称为热传导。热传导焊的主要特点是激光光斑的功率密度小，很大一部分光被材料表面反射，光的吸收率较低，焊接熔深浅，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

在蒸汽压力的作用下，熔化金属被排挤在激光束周围，使照射处呈现出一个凹坑。随着激光束的继续照射，凹坑愈来愈深而形成深穿型的圆孔空腔，激光可以透过小孔的金属蒸汽直射孔底。当激光停止照射后，小孔周边熔化的金属重新流回到小孔里，冷却凝固后即将两个待焊件焊接在一起。这种焊接机理称为深熔焊。这两种激光焊接机理，与功率密度、作用时间、材料性质和焊接方式等因素有关。当激光功率密度较低、作用时间较长而焊件较薄时，通常是以熱传导焊机理为主进行焊接的。反之则是以深溶焊机理为主进行焊接。

2 主要工艺参数

2.1 激光功率

激光功率是激光封焊最重要的参数之一，其数值的大小直接决定了焊缝的熔深。激光功率过低，熔深数值很小，极易造成未焊透等情况，且焊缝强度很低，在低气压测试时会造成盖板变形，气密性无法保证；激光功率过高，会造成熔池金属飞溅，严重的会导致壳体焊穿，损坏内部器件和电路等，直接造成模块的报废。

2.2 焊接速度

焊接速度也是激光封焊的重要参数之一，选择合理的参数直接决定了焊缝的成型。焊接速度越高，光斑重合率低，容易发生裂纹或未熔合等缺陷；焊接速度太低，光斑重合率接近100%，但会造成能量局部过高，而产生气孔等缺陷。一般情况下，为了获得较高的焊缝强度，光斑重合率一般设定为50%～60%，而为了获得焊缝的气密性，光斑重合率设定为70%～80%为宜。

2.3 激光频率

激光频率与焊接速度两个参数共同决定了光斑重合率的大小。为了获得光斑重合率在70%～80%，经过理论计算等前期工作，发现针对文中所用的激光封焊设备，焊接频率是焊接速度的5～6倍可以基本满足。但不同的设备和不同的光斑尺寸等选用的参数会不同。

3 实验分析3.1 试验方法

将试验件激光焊接后，在显微镜下观察焊缝外观是否良好，判断焊缝是否存在气孔和裂纹等焊接缺陷；采用氦质谱检漏仪进行气密性检测，判断是否满足焊接密封要求；通过温度冲击和机械振动等环境试验，评估温度交变和振动疲劳对焊缝质量的影响。

3.2 试验研究及分析

1）功率对焊缝的影响。在激光封焊工艺操作中，由于参数众多，且互相影响，而功率是众多参数中最先需要确定的。因此，选用一定范围的功率参数进行激光封焊，在焊接过程中发现，当功率大于4.0kW时，会产生大量的飞溅，焊缝不美观，且会有塌边的现象，极易造成焊穿，损坏组件内部的器件或电容，造成整个模块的损坏甚至报废。而选用2.0kW的功率时，对焊缝外形进行分析，光斑重合率较低，无法保证气密性及成品率。因此，综上所述，选用2.5～3.5kW的功率，是相对合理的参数。

2）材料表面状态对激光焊接密封质量的影响。为提高封装材料的可焊性和耐腐蚀性，通常在封装壳体和盖板表面进行化学镀镍金处理。试验发现，镀金层对焊缝的负面影响较大，会产生焊缝裂纹现象，这主要是由于在激光焊接过程中，镀层金属和铝合金熔化在一起，产生了复杂的冶金反应，而镀层金属原子与铝合金无法形成新的合金相，导致镀层残余金属原子都聚集在铝合金相的晶界部位，形成微裂纹扩展的裂纹源。因此，焊缝区表面应避免金镀层。

3）焊接工艺参数对激光焊接密封质量的影响。激光焊接工艺参数主要包含激光功率、脉冲宽度、脉冲重复频率、焊接速度和离焦量等。这些工艺参数共同影响着激光焊接密封的质量，并相互制约相互影响。因此，确定合理匹配的焊接工艺参数是有效控制激光焊接密封质量的有效措施。

综上所述，文中选用特定型号的铝合金进行激光封焊研究，探讨了工艺参数对焊接效果及气密性的影响，得出了结论，对同类材料的铝合金激光封焊有一定的指导作用。但激光封焊的工艺研究是相当复杂的，如盖板的尺寸与厚度、盖板与壳体的材料、结构设计和匹配程度等均对激光封焊焊接效果有一定的影响，值得后续进一步深入研究。

参考文献：

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