感应钎焊技术及其在电连接器焊接中的应用

霍绍新，解启林

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230031）

感应钎焊技术及其在电连接器焊接中的应用

霍绍新，解启林

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230031）

感应钎焊技术因其具有加热迅速、焊接效率高、焊料氧化少和加热部位局域化的优点，被用来焊接微波组件中的电连接器。针对组件外形不同和待焊电连接器种类不同，设计了与组件结构相匹配的感应线圈，探索优化了感应加热参数设置。焊接获得的电连接器焊缝质量良好、气密性指标优异，满足气密封质量要求。

感应钎焊技术；电连接器；气密性

感应钎焊技术因其具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，正被广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。其技术原理主要利用高频、中频或工频感应电流作为热源，依靠工件在交流电的交变磁场中产生感应电流进而产生电阻热来加热，如图1的示意图。具体是将导电的金属工件放置在单匝或者多匝的感应线圈中，感应加热电源给感应线圈提供交变电流，从而在线圈周围产生交变磁场，当工件被放置到变化的磁场中时，依据电磁感应原理，金属工件中产生电动势和电流，进而形成电阻热，电阻热以涡流进入工件内部，形成了精确可控、局域的热能。

图1 感应加热原理示意图

根据其技术原理，感应钎焊技术具有显著的优点：

（1）由于热量是由工件本身产生的，因此加热迅速，工件表面的氧化比炉中钎焊少得多，而且可防止母材的晶粒长大和再结晶的发展。

（2）由于感应加热的集肤效应，可以实现对工件的局部加热，热量的高度局域性，可以使焊点快速达到熔融所需温度而不必冒损坏工件的危险。

（3）由于感应加热钎焊采取的是由内而外的加热方式，它的效果不受钎焊位置或接头变化的影响。

（4）感应加热可以实现快速加热和冷却，往往几秒钟就一个周期，焊接周期更快，提高了生产效率，非常适用于自动化、大规模生产工艺。

目前，感应加热技术广泛应用于各种金属，包括铝、纯铜、铜合金、铁、铸铁、不锈钢等具有对称形状的焊件的焊接，特别适用于管件的套接，管子和法兰，轴和轴套等类似接头形式的连接。如感应加热焊接大型构件如火箭上需要拆卸的管道接头[1]，在文献[2]中报道了应用于同轴微带线内导体焊接。而现在，通过使用更精密的感应线圈、非接触式温度测量技术，以及更精确地送丝和填料成形，感应加热钎焊技术可以用来焊接各种小型部件组件，例如雷达的微波组件。

由于微波组件中包括了大量的基板、MMIC和裸芯片等，各部分在组装焊接时，为保证性能稳定性，必须控制合理的温度剃度，以防止各部分相互干涉。为保证微波组件长期可靠的工作，对其上与外部连接的电连接器的封装焊接提出了很高的要求，如要求气密焊接、要求低温方式焊接，同时满足机械稳定性要求。传统的电连接器低温钎焊可以选用的方法主要有真空钎焊、回流焊、热板焊等[3]，在这里真空钎焊工艺虽然可以克服回流焊和热板焊工艺中焊料高温氧化缺陷，但它们都是对组件整体进行加热且加热时间较长，这会对组件上的其他元器件造成二次加热。然而感应钎焊工艺则能很好地克服这些缺陷，根据感应钎焊的优点，可以快速地加热和冷却，所以焊料氧化少，焊接效率高；并且可以将热量控制在工件焊接局域部位，避免了对其他部位和元器件的加热影响。

本文通过感应钎焊工艺设计，以某微波组件上的两类电连接器焊接为研究对象，研究了感应钎焊过程中，针对工件的外形结构差异，连接器种类差异，进行的感应线圈的设计以及焊接工艺参数的确定过程。同时对感应钎焊焊接的电连接器，进行了外观质量检验和气密性检测。

组件工件侧面及其上连接器安装孔结构如图2所示，在工件的一端有6个排布在一起的SSMA型圆形射频连接器，而另一端则同时包含了SSMA型连接器和矩形的J30JM1型低频连接器有待焊接。两种连接器外形差别大，热容量也有很大差异，低频连接器与盒体接触周线长（即焊缝长），而射频连接器数量多，所以焊接工艺与参数控制难度大，同时设计时外观质量以及气密封要求很高，给高质量的气密焊接带来了挑战。针对上述状态的电连接器，其气密封焊接通过感应钎焊工艺来实现。

图2 工件侧面结构、连接器安装孔示意图（mm）

1 工艺研究

1.1 感应线圈的设计

感应线圈是传递感应电流、产生交变磁场的部件，其设计是否合适对感应钎焊的影响至关重要。我们遵循的设计和选用原则：（1）感应线圈应外形与焊接工件相适应；（2）尽量减小感应线圈本身和焊件之间的间隙，以便提高加热效率；（3）合理选择感应线圈的匝数，使焊件受热平稳、均匀。根据图2的工件形状、实际尺寸，我们绕制并选用了如图3所示轮廓的铜线圈，线圈间距和尺寸参数遵循上述设计原则，每一种设计必须匹配于各部件几何外形、尺寸的特殊要求，而当钎焊安装孔横截面外形不规则、尺寸不一的工件时，可以通过合并各种基本线圈形式，来调节钎焊加热，如图3（C）、（D），以达到理想的感应钎焊效果。

图3 与工件外形相匹配的感应线圈外形示意图

1.2 焊接工艺参数设置

1.2.1 感应设备频率选择

根据感应钎焊的加热原理，感应钎焊时，零件的钎焊部分被置于交变磁场中，这部分母材的加热是通过它在交变磁场中产生感应电流的电阻热来实现。导体内感应电流强度与感应发生器的频率成正比，随着所用的感应器频率提高，感应电流增大，焊件的加热速度也变快。基于这一点感应加热一般倾向于使用较高频率的感应器。

而感应加热又有明显的集肤效应[4]，这种效应除了与材料的电导率和磁导率有关外，还与交流电的频率有关。通常取85%的电流强度所分布的导体表面层厚度称为电流渗透深度，用以表征集肤效应的强弱。理论计算表明，频率越高，电流渗透深度越小，集肤效应越显著。感应钎焊虽然利用了集肤效应使表面层产生电阻热，但加热的厚度太薄时，则无法提供足够的热量，因为零件的内部是靠表面层向内部的导热来加热的。由此可见，感应发生器的频率并非越大越好，选用过高的交流频率不一定有利，对于一般钎焊工作来说，500 kHz左右的频率是比较合适的，我们的工艺选定了交流电频率500 kHz。

1.2.2 感应线圈与工件耦合

感应线圈与工件的耦合（主要是间距）对加热的影响也比较明显。原则上讲，感应线圈与工件的耦合，越紧越好，即间距越小越好，这时加热效率最高，加热均匀程度也比较好；当感应线圈与工件距离较大，即属于松耦合时，加热均匀程度和效率下降。对于如图3所示的感应线圈，为改善加热均匀度和效率，可通过变化感应线圈的直径和面积的方法达到均匀的目的，也可通过多匝感应线圈，设置不等的节距来改善加热形态。另外，本文中的连接器安装孔到外边缘的距离，四周并不完全相等，如图2所示（一边距0.6 mm，一边距1.4 mm），为了提高加热均匀程度，可以根据感应线圈的磁场分布情况，适当的调节感应线圈各边与工件的距离，形成不同的耦合情形，摸索并获得最佳的加热效果。

1.2.3 加热功率和速度选择

工件加热区域的温度明显地受到加热速度的影响，而加热速度则取决于感应发生器的频率和功率。当感应发生器的频率设定后，采用较低的功率，可以有效减缓加热速度，以提供足够的热传导时间，平衡加热区域的温度。

加热速度除了调节感应发生器的输出功率，还需要考虑以下因素，以达到工件理想的加热速度和受热状态：

（1）工件感应产生的热量，也就是电磁感应产生的电阻热，主要由工件的电阻率和磁导率决定，所以不同种类材料的工件产生的热量是会不同的。即使前文提到的工件外形、感应器频率、线圈与工件相对位置、感应器功率设置都相同，也要具体材料具体分析对待。

（2）工件上热传递的功率，这部分主要考虑不同的工件散热情况差异，由工件的热导率决定，热导率大的工件会各方向散热更快，为了达到焊料熔化的目的，必须增加感应器功率。

合理的功率水平的选择，可以有效地降低感应钎焊的难度，在有效平衡加热区域的温度同时，达到最大的焊接效率。

所以，在感应钎焊技术中，为了达到理想的加热效果，必须综合考虑工件的材料种类、工件的外形、感应线圈，甚至钎焊焊料的种类，最后优化设置加热功率和速度。针对本次工件的材料，焊料种类，我们最后确定的电连接器的感应钎焊参数如表1所示。

表1 电连接器的感应钎焊工艺设置

2 焊接质量检验

优异的电连接器焊接件不仅能起到机械支撑、传输信号的作用，还需要满足封装气密性与屏蔽外界电磁干扰的效果。本文采用感应钎焊技术焊接了两种不同形式的电连接器，其中连接器的传输特性、电磁屏蔽特性主要为出厂时已确定，针对钎焊焊接工艺，需要对其机械稳定性和气密性作出检测，以评价感应钎焊技术在电连接器焊接中的实际效果。根据设计要求，进行了外观检验、内部缺陷检测以及气密性指标检测。

2.1 外观检验

外观检验是用低倍放大镜检查钎焊接头的表面质量，如钎料是否填满间隙，钎缝外露的一端是否形成圆角，圆角是否均匀，表面是否光滑，是否有裂纹、气孔及其它外部缺陷等。检验结果如图4所示，焊缝饱满、光滑、无空洞。

图4 感应钎焊的连接器外观

2.2 内部缺陷检测

采用X射线检测焊接内部缺陷，X射线是检验重要工件内部缺陷的常用方法，它可显示钎缝中的气孔、夹渣、未钎透以及钎缝和母材的开裂。检测结果如图5所示，由于连接器体积小巧，我们通过钎透率高低情况来评价其内部焊接质量，从图B中看出，连接器与工件装配间隙完全钎着、无气孔，焊料完全铺展。

图5 X射线检测连接器焊接缺陷

2.3 气密性指标检测

气密性指标检测常用方法有一般的水压试验、气密试验、煤油渗透试验和质谱试验等方法。其中水压试验应用于高压容器，气密试验及气渗透试验用于低压容器，煤油渗透试应用于不受压容器；质谱试验用于真空密封接头。根据GJB 548B规定的方法1014.2，我们采用质谱检漏仪检测焊接了连接器的工件气密性指标。结果显示，所有感应钎焊连接器接头的氦漏率（氦质谱检漏仪检测）优于5×10-9（Pa/m3）·s（氦），达到设计要求。

3 结 论

利用感应钎焊技术焊接了微波组件上的电连接器，设计了与工件外形和尺寸相匹配的感应线圈，对感应钎焊工艺的参数进行了研究，优化设置了感应器频率、线圈和工件的耦合、以及加热功率各参数。最终获得的焊接了电连接器的工件焊接质量良好，焊缝饱满、光滑、无空洞；X射线检测结果显示，连接器与工件装配间隙完全钎着、无气孔，焊料完全铺展；气密性指标有优于5×10-9（Pa/m3）·s的氦漏率。采用该感应钎焊技术焊接了连接器的微波组件，目前已经应用在某型雷达收发天线系统中，该钎焊技术在同类连接器焊接中具有较强的推广价值。

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[1]孙宁.感应加热钎焊技术的应用[J].金属加工，2010（24）：47-49.

[2]宋为民.刘炳龙，李明荣.大功率同轴线中内导体钎焊连接[J].电子工艺技术，2010，31（5）：296-302.

[3]严仕兴.实现焊接工艺之间的衔接——回流焊接穿孔连接器[J].今日电子，1999（2）：21-22.

[4]何鹏，贾进国，余泽兴，等.高频感应钎焊的研究分析[J].机电工程技术，2003，32（1）：23-25.

The Induction Brazing Technology and the Application in the Welding of Electrical Connectors

HUO Shaoxin，XIE Qilin
（The 38th Research Institute of CETC；Hefei 230031，China）

Abstract:Because of the advantages of quick heating，high efficiency，little oxidation of solder，and capability of heating the local sites，the induction heating technology was used to weld the electrical connectors of TR module.Based on the consideration of the various module structures and the different kinds of electrical connectors，the authors designed the different shapes of induction copper pipes，and then explored the specific induction heating parameters.The last obtained module which was welded with electrical connectors performed the excellent appearance and hermetic quality，which also fulfilled the demand of brazing.

Keywords:Induction brazing technology；Electrical connectors；Hermetic quality

TG454

B

1004-4507（2013）10-0023-05

2013-09-23

国防基础科研项目（A1120132016）

霍绍新（1983-），男，安徽六安人，工程师，博士，现从事电子组装与封装工艺研究。