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(shí)間短、適用頻帶寬以及占用體積小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天航空、廣播通信等領(lǐng)域，能發(fā)揮機(jī)械連接和信號(hào)傳輸?shù)闹匾饔?。隨著傳輸頻率的不斷提高，對同軸SMP連接器的低互調(diào)、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(huì)直接影響阻抗的連續(xù)性，為了確保信號(hào)的完整性和準(zhǔn)確性，需要對焊接質(zhì)量進(jìn)行控制。

根據(jù)VIANCO P T等人的分析，電纜組件63%的微裂紋、氣孔等缺陷發(fā)生在內(nèi)導(dǎo)體焊接接頭中。與外導(dǎo)體焊接相比，內(nèi)導(dǎo)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(nèi)導(dǎo)體焊接工藝對信號(hào)傳輸?shù)目煽啃云饹Q定性作用。吳瑛等人針對板間SMP連接器設(shè)計(jì)了焊接工裝，提高了釬透率。張堅(jiān)華等人則基于阻抗焊臺(tái)，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(shè)備入手對焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，但針對電纜用連接器焊接過程中參數(shù)進(jìn)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(jié)合焊接試驗(yàn)分析了焊料熔化及充型過程，確定了焊接參數(shù)和焊接方法，提高了焊接的一致性，以保證高頻信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)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(jī)焊接細(xì)小的內(nèi)導(dǎo)體。當(dāng)使用小型阻抗焊機(jī)焊接內(nèi)導(dǎo)體時(shí)，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(nèi)導(dǎo)體，并由過錫孔填充焊錫進(jìn)行焊接（稱為焊錫孔填充法）。還可以用阻抗手柄夾持內(nèi)導(dǎo)體圓周表面，將焊錫絲由后端插入內(nèi)導(dǎo)體，待焊錫絲接近熔化時(shí)，將電纜作為“活塞”，由后端插入內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)行焊接。壓入過程采用間斷性加熱的方式，保證焊錫絲不會(huì)快速凝固。最后，刮除由內(nèi)導(dǎo)體過錫孔溢出的焊錫。

在焊接過程中，阻抗焊機(jī)的功率參數(shù)起到重要作用。當(dāng)功率過大時(shí)，升溫速率快，常規(guī)焊接時(shí)間內(nèi)容易對內(nèi)導(dǎo)體造成損傷；同時(shí)，熔化速度也會(huì)加快，焊錫絲進(jìn)給量不易控制，當(dāng)缺乏重力及全封閉殼體的約束時(shí)，焊錫易直接溢出甚至包裹內(nèi)導(dǎo)體，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。在實(shí)際焊接中，操作者常根據(jù)內(nèi)導(dǎo)體尺寸、焊錫絲直徑設(shè)定功率參數(shù)，參數(shù)選擇缺乏理論依據(jù)，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(jìn)行計(jì)算，并基于Comsol對焊錫絲在不同功率下的相變進(jìn)行分析。

仿真過程中將物性參數(shù)以插值形式輸入模型中，根據(jù)實(shí)際條件選擇電流-傳熱耦合物理場模式并設(shè)置相應(yīng)的對流及輻射換熱條件。CXN3506電纜配套內(nèi)導(dǎo)體一般填充0.20 mm~0.50 mm的焊錫絲，因此在Comsol中構(gòu)建直徑為0.38 mm、長為0.50 mm的焊錫絲模型。當(dāng)功率設(shè)定為25 W時(shí)，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(shí)刻外層溫度較高（圖1（a）），隨后變?yōu)橹行臏囟容^高（圖1（b））。初始時(shí)刻，由于外部直接與阻抗焊接設(shè)備接觸，因此外圍溫度較高；在隨后的過程中，外部與環(huán)境直接接觸，率先發(fā)生對流和輻射換熱，導(dǎo)致功率產(chǎn)生的熱量集中在內(nèi)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(dǎo)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(diǎn)，得到功率為25 W時(shí)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(dāng)時(shí)間大約為8 s時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，材料比熱容降低、升溫速率增大，當(dāng)時(shí)間大約為8 s時(shí)焊錫絲開始熔化。由相變分析結(jié)果可知，熔化曲線如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，當(dāng)時(shí)間大約為8 s時(shí)焊錫絲開始熔化，與升溫速率的突變點(diǎn)一致。在實(shí)際焊接過程中，焊錫絲從連接器內(nèi)導(dǎo)體后端插入電纜內(nèi)芯的功率輸入是間斷性的。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在內(nèi)導(dǎo)體后端插入焊錫絲及電纜焊接過程中，開關(guān)開啟的有效時(shí)間大約為7 s，因此25 W的功率適用于內(nèi)導(dǎo)體焊接。如果所需加熱時(shí)間過長，那么在納觀角度中，鈹青銅內(nèi)過飽和固溶體中的溶質(zhì)原子容易在熱力學(xué)過程中析出，甚至發(fā)生相變，導(dǎo)致其性能發(fā)生變化，易造成失效隱患。在微觀角度中，材料的晶?？赡軙?huì)通過吞并等方式長大，使力學(xué)性能大大降低。在宏觀角度中，長時(shí)間的高溫會(huì)對材料的疲勞性能、力學(xué)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(shí)的相變特性

將焊錫絲長度分別調(diào)整為0.2 mm、0.3 mm，功率相同時(shí)的相變計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，二者熔化時(shí)間與焊錫絲長度為0.5 mm時(shí)的熔化時(shí)間接近，說明當(dāng)采用實(shí)際進(jìn)給量（0.2 mm~0.5 mm）焊接射頻連接器內(nèi)導(dǎo)體時(shí)，熔化時(shí)間與焊錫絲長度無關(guān)。一方面，由于阻抗焊接產(chǎn)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(shí)間相同。另一方面，焊錫絲主要材料是共晶Sn-Pb合金，其熔點(diǎn)為固定值且熱導(dǎo)率較大，當(dāng)電阻產(chǎn)熱達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，可以迅速遍及整體。同時(shí)熔化潛熱存在時(shí)間短，不會(huì)因熱流而造成較大的影響。綜上所述，在實(shí)際焊接過程中必須根據(jù)連接器構(gòu)型手動(dòng)控制進(jìn)給量，并設(shè)定合理的功率參數(shù)，以控制加熱時(shí)間。

圖3 采用25W功率輸入對應(yīng)的熔化時(shí)間

在此基礎(chǔ)上，對過錫孔填錫、后端填錫2種方式進(jìn)行仿真分析。當(dāng)由過錫孔填錫時(shí)，流場分布如圖4（a）所示，其充型過程中流速分布復(fù)雜，且前沿界面不平整，存在較大的紊流傾向，出現(xiàn)裹氣的可能性較大。不同位置的填充時(shí)間如圖4（b）所示，不同位置的充型時(shí)間差異較大且隨空間分布沒有明顯的規(guī)律性，說明流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定。通過仿真計(jì)算，過錫孔頂部最終會(huì)存在連續(xù)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(tài)金屬在其他部位的徑向、軸向均存在不規(guī)則的流動(dòng)速度分布，容易造成卷氣現(xiàn)象。另一方面，由于充型凝固時(shí)間長，可能出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)晶，因此導(dǎo)致最終凝固部位的液體無法補(bǔ)縮，從而會(huì)產(chǎn)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(nèi)導(dǎo)體發(fā)揮活塞的作用；在凝固過程中，電纜內(nèi)導(dǎo)體又發(fā)揮型芯的作用。內(nèi)導(dǎo)體外殼則直接與金屬液接觸，作為模型強(qiáng)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(jìn)行分析，設(shè)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(shí)流速明顯提高，充型凝固速度加快。在流動(dòng)過程中，流體沿電纜內(nèi)導(dǎo)體邊緣向腔體移動(dòng)，由于受重力影響，因此流動(dòng)過程中下方填充量更大。但大部分區(qū)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(shí)間沿后端至前端呈線性梯度分布，與流動(dòng)順序一致，即呈現(xiàn)順序凝固特性，有利于氣孔的補(bǔ)縮。根據(jù)首次氣體仿真結(jié)果可知，后端填錫時(shí)容易在型腔前端尖角處出現(xiàn)單一小氣孔。為此，在連接器內(nèi)導(dǎo)體前端設(shè)置了通氣孔，以保證氣體的順利排出。此外，在焊錫填充時(shí)焊錫絲的進(jìn)給量應(yīng)適當(dāng)過量，確保焊錫絲可以全部充滿，保證氣孔出現(xiàn)在最后凝固的內(nèi)導(dǎo)體尾端；同時(shí)，須保證輸入功率適當(dāng)，加熱時(shí)間充足，避免因焊凝固時(shí)間過短而導(dǎo)致氣體無法排出，最終確保無氣孔產(chǎn)生，如圖5（d）所示。

圖5 后端填錫

2 內(nèi)導(dǎo)體焊接試驗(yàn)

當(dāng)采用25 W的功率和5 mm/s左右的電纜插入速度由后端進(jìn)行焊接時(shí)得到內(nèi)導(dǎo)體的宏觀形貌如圖6所示。連接器內(nèi)導(dǎo)體外層未出現(xiàn)肉眼可見的損傷，證明當(dāng)功率為25 W時(shí)的加熱時(shí)間適宜。焊點(diǎn)的宏觀表面焊錫飽滿，且過錫孔處未出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，說明焊接過程中焊錫填充量足夠，冷卻導(dǎo)致的體積收縮現(xiàn)象產(chǎn)生于尾端，不會(huì)對影響阻抗連續(xù)性的內(nèi)導(dǎo)體外徑產(chǎn)生影響。

圖6 焊點(diǎn)宏觀形貌

此外，焊點(diǎn)內(nèi)部的孔洞會(huì)對電磁波傳輸質(zhì)量產(chǎn)生較大干擾。在力學(xué)性能方面，孔洞會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度下降，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在電氣性能方面，孔洞不僅會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率降低、集膚深度增大，而且還會(huì)引起寄生電容，使阻抗降低，產(chǎn)生反射損耗。根據(jù)IPC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，微孔洞剖面面積不能大于焊點(diǎn)面積的25%。

微孔洞主要來源于2個(gè)方面：1） 助焊劑或氧化物等物質(zhì)在升溫過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或汽化產(chǎn)生的氣泡。2） 因充型過程不穩(wěn)定從而裹入的氣體。針對內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的氣孔，需要嚴(yán)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(huán)境濕度，另一方面需要保證有順暢的通道且有足夠的時(shí)間來排出氣體。因此與仿真過程相對應(yīng)，內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上應(yīng)設(shè)置合理的排氣孔，并采用適當(dāng)過量的焊錫絲使氣孔出現(xiàn)在最后凝固的內(nèi)導(dǎo)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(wěn)性。采用后端填充內(nèi)導(dǎo)體方法進(jìn)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(wěn)。同時(shí)，壓入的電纜內(nèi)導(dǎo)體相當(dāng)于對凝固過程施加了額外的壓力，可以促進(jìn)金屬液補(bǔ)縮，減少微孔洞缺陷。當(dāng)設(shè)定阻抗焊臺(tái)輸入功率為25 W時(shí)，焊錫絲進(jìn)入插針的升溫時(shí)間與電纜插入后熔化時(shí)間之和約為7 s，在保證連接器內(nèi)導(dǎo)體不受熱影響的前提下，提供了充分時(shí)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(xiàn)象，驗(yàn)證了參數(shù)選擇的合理性。

圖7 焊點(diǎn)X光照片

3 結(jié)語

該文基于仿真計(jì)算和物理試驗(yàn)分析了焊接的流動(dòng)充型及凝固過程，得到了以下3個(gè)結(jié)論：1） 當(dāng)采用實(shí)際的進(jìn)給量焊接細(xì)小的連接器內(nèi)導(dǎo)體時(shí)，熔化時(shí)間與焊錫絲長度無關(guān)。2） 由后端填充適當(dāng)過量的焊錫絲，采用插入電纜并焊接內(nèi)導(dǎo)體的方法可有效降低氣孔產(chǎn)生的可能性。3） 內(nèi)導(dǎo)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。