电流压焊技术在微波模块修理中的应用研究

陈莉华/江苏金陵机械制造总厂

0 引言

高频微波模块作为机载雷达的关键部位，其工作可靠性对整部雷达性能具有至关重要的作用。高频微波模块采用多芯片组装技术，内部集成多种裸芯片微组装工艺。其中，电流压焊技术广泛应用于模块中器件引脚与焊盘、大尺寸金带与焊盘之间的互连，以实现各类信号的互通。

电流压焊是一种靠固态金属原子间的相互扩散形成金属键结合的焊接方法，压焊的两个基本条件是一定的压力和一定的温度。对于高频微波模块来说，压焊选用的电极需要规范适当；压焊接合面应有足够的剪切力、拉力，防振性能好，不易脱落；压焊瞬间产生的能量对外围电路的损害应尽可能小。本文通过对两个典型微波模块故障原因进行分析和研究，详细阐述电流压焊技术在微波模块修理中的应用，通过选取合适的电极类型，寻找适用于电流压焊的参数，并对工艺提出可靠性评价，使产品质量进一步得到提 升。

1 电流压焊技术在微波模块修理中的应用试验

1.1 试验准备工作

某型高速数控衰减器模块用于实现对微波信号的数控衰减。每件模块装配20 个梁式引线二极管。该类模块的故障率达30%，主要由梁式引线二极管的失效引起。修理时需要将故障梁式引线二极管拆除，重新焊接合格的器件。其中，梁式引线二极管的可靠焊接是保证微波模块性能良好的关键。

某型放大器模块用于实现对微波信号的低噪声放大。模块采用高密度互连基板技术，基板与基板之间通过大尺寸金带连接。该类模块的故障主要由大尺寸金带断裂引起，导致微波信号无法传输至后级。修理时需要将断裂金带拔除，并重新对金带进行焊接。

电流压焊技术既可用于梁式引线二极管这类器件引脚与焊盘之间的互连，又适用于大尺寸金带与焊盘之间的连接，两类器材压焊面微带线分别为Rogers基板和陶瓷基板衬底上沉积的Au膜。区别于制造工艺，微波模块修理对电流压焊工艺的要求更复杂，难度更大。一方面，微带线上原压焊材料需清除，若有残留将导致压焊表面不平整，易造成电极打火，损坏微电路；另一方面，由于模块长期服役后，再次开盖其内部易引入微小污染物和氧化物，会对压焊性能、电性能造成恶劣影响，影响产品长期可靠性。

针对以上两个方面的问题，试验前需要做好如下准备工作：

1）用平整的铲刀将梁式引线二极管、大尺寸金带两端压焊面沿着焊盘轻轻铲起，保证压焊面无残留，使压焊面平整。

2）使用等离子清洗技术清洗微波模块中的微电路，去除微带线表面污染物和氧化物，增强压焊表面活性，改善Au 膜的附着力。

1.2 试验过程

试验使用UB29 电流压焊机进行压焊，该设备配置一台主机，可在压焊过程中对焊接压力、焊接时间、工作电流等参数进行设置。设备配备不同型号的电极，其规格参数对比如表1 所示。应根据被试验对象的尺寸选择相应规格的电极，原则上电极压接面应略小于焊接部位，一方面避免压焊时接触不充分造成电极打火，另一方面又能提供足够的能量使压接面充分接触以保证可靠连接。

表1 不同规格电极参数对比

试验在20 倍显微镜下完成，梁式引线二极管、大尺寸金带结构分别如图1、图2 所示。可以看出，二极管引脚为两根金带，引脚尺寸为（0.015×0.006×0.0005）in， 根 据 器件两侧引脚尺寸选择型号为UTM152L的电极；大尺寸金带尺寸为（0.02× 0.1×0.0005）in，选择型号为UTM237L的电极进行焊接。

试验中对两类器材在各自区域上的压焊均进行了试验，电流压焊的参数曲线由两个脉冲组成，如图3 所示，每个脉冲包括电流上升时间、电流保持时间、压焊电流值、电流下降时间4 个参数。一般而言，第一个脉冲起到压接面清洁作用，第二个脉冲起到焊接作用。第一个脉冲电流峰值建议设置为第二个脉冲电流峰值的1/3 ～1/2 倍。对焊接影响较大的三个参数分别是焊接压力、第二个脉冲电流压焊值和电流保持时间，若上述参数中任一参数过大都可能导致引脚、金带或微带线熔断，而参数过小则可能导致焊接不良，试验着重对以上三个参数进行了探索。

图1 梁式引线二极管

2 梁式引线二极管电流压焊工艺研究

梁式引线二极管电流压焊工艺参数如表2 所示，包括焊接压力、第二个脉冲电流压焊值和电流保持时间三个参数。通过调节焊接压力，可以改变电极与焊接面的挤压效果；通过调节第二个脉冲电流压焊值和电流保持时间，可以改变焊接功率，调节焊接引脚与焊接面之间焊点的形成。

图4 为表2 中不同工艺参数电流压焊后器件焊接效果的光学照片。可以看出，参数过小导致压焊不充分。在芯片推力试验中，图4 a）中焊接面剪切力小，易脱落，焊接不良。参数过大导致器件引脚与微带线熔断，对组件造成不可逆转的损坏，如图4 c）所示。图4 b）中，上方二极管为原工艺压焊形成，焊点凹凸不平，接合面积小，不易于二次焊接。试验中选用的UTM152L 电极为实心平整电极，压焊后的焊点光滑平整，焊点接合面积大，且易于二次焊接。适用于梁式引线二极管焊接参数值为：焊接压力43gf、第二个脉冲电流压焊值18A、电流保持时间8ms，此组参数焊接效果最为理想。

图2 大尺寸金带

图3 电流压焊程序参数

表2 梁式引线二极管电流 压焊工艺参数

一般而言，梁式引线二极管焊接完成后，在20 倍的显微镜下，需同时满足三个要求：

1）压焊点离管芯边缘应大于25 μm。

2）焊接后，管芯不应出现破裂或缺损等机械损伤。

3）焊接后，管芯不应出现明显变色或烧蚀的痕迹。

3 大尺寸金带电流压焊工艺研究

通过优化关键参数，获得了适用于大尺寸金带电流压焊工艺参数，如表3所示。图5 为采用表3 中不同电流压焊工艺参数后大尺寸金带焊接效果的光学照片。可以看出，随着第二个脉冲电流压焊值及电流保持时间的增大，压焊面颜色逐渐加深，呈现出烧灼痕迹。当焊接压力为50gf、第二个脉冲电流压焊值为42A、电流保持时间11ms 时，压焊面光滑、圆润，无变色。为进一步验证金带压焊的可靠性，对试验样品进行了金带破坏性拉力检测，三个样品的检测力分别是86gf、154gf、132gf，样品2和样品3 均满足业界要求的（500μm金带拉力≥100gf）破坏性拉力检测 值。

图4 不同压焊工艺参数梁式引线二极管焊接效果图

表3 大尺寸金带电流压焊工艺参数

图5 不同压焊工艺参数大尺寸金带焊接效果图

高频微波模块中不必要的分布电容、分布电感将影响产品的驻波、增益、噪声系数等关键指标。使用大尺寸金带连接相邻基板时，一方面，应尽量选用较短的金带，降低拱高，减少分布参数的影响；另一方面，陶瓷基板在机上复杂环境下长时间工作易发生微小位移，适当的拱高可以减少过短金带出现断裂的风险。如何压焊合适长度、合适拱高的金带尚无明确的公式，需要在模块修复后测试性能并装机验证其对微波性能的影响。

4 总结

本文对两型模块中梁式引线二极管和大尺寸金带的电流压焊工艺进行了研究，通过优化电流压焊工艺参数，得到了两类器材的理想压焊参数，给出以下结论：梁式引线二极管的压焊参数为焊接压力43gf、第二个脉冲电流压焊值18A、电流保持时间8ms；大尺寸金带压焊参数为焊接压力50gf、第二个脉冲电流压焊值42A、电流保持时间11ms。可以通过推力试验和破坏性拉力试验分别检测梁式引线二极管和大尺寸金带的压焊效果。目前，形成的电流压焊工艺已运用于两类微波模块的修理 中。