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通讯行业电连接器感应钎焊

一、感应钎焊工作原理及特点
 
        电连器的钎焊主要用于，焊接电连接器产品系老式“P”型电连接器（航空插头）的换代产品，具有体积小、重量轻、使用方便、耐插拔，导电性能佳，密封性好的特点。广泛适用于各类电器设备、仪器、仪表之间的线路连接。由于电连器对于精度、气密性及焊接后焊缝平整度等技术要求比较高，所以电连器钎焊技术应用对感应钎焊设备有着很高的要求。
 
        目前的电连器焊接大致有：真空钎焊、回流焊、热板焊；以上几种焊接方法容易出现加热时间过长出现过度“老练”、氧化或者加热温度不宜控制，可能引起工件性能下降或造成工件不可逆的损伤。并且在多芯片微波组件中，常常包含了大量的电连器需要焊接，连接器的分布密度高、形状结构差异大，普通的焊接技术很难达到焊接高效率和高可靠性。各个企业都在寻求技术创新，掌握全新的焊接方法意味着掌握市场。感应钎焊技术则能很好地克服这些缺陷，感应钎焊的出现为技术创新提供了一个全新的方法。
 
        感应钎焊是利用高频、中频或工频感应电流作为热源的焊接方法。感应钉焊技术主要原理是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，所以可以实现快速加热和冷却，焊接效率高，焊料氧化少，并且可以将热量控制在工件焊接局域部位，热影响区域小，避免了对其他部位元器件的加执影响。
 
         根据其技术原理，感应钎焊技优点：
 
(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。
 
        感应加热技术存在显著的特点——集肤效应。我们把交变磁场在工件中感应产生的电流称为涡流，山于集肤效应的存在，涡流会沿横截面巾表面至内层呈指数规律衰减，所以涡流的分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层。工程上规定，当涡流强度从表面至内层降低到共数值等于最大涡流强度的1/e (即36.8%)，该处到表面的距离6称为电流透入深度。由于电阳热与电流的平方成正比，因此由表面至内层热量下降速度要比涡流下降速度快得多，可以认为热量85% - 90%产生自厚度为的薄层中。透入深度与材料的电导率、相对磁导率以及频率乘积的平方根成反比。透入深度的存在可以使热量产生白工件局城部位而不影响其他器件，但透入深度并非越小越好。首先，因为透入深度太小，电磁波会在金属表面形成反射，会降低电效率;其次，当在金属表面发热时，因为表面同时会辐射散热，当散热量较大甚至大于传导到工件内部加热区域的热景，这就影响了整体的热效率。所以，要根据实际工程要求，选取磁导率和电导率适中的材料，不能人大或太小。本文根据上述感应钎焊的技术特点，将该技术应用在电连接器的钎焊焊接中。文中主要介绍了感应钉焊工艺设计的主要因素，如工件结构形式、工件材料、接触镀层、焊料种类等，以及其对感应加热时的线圈设计、功率设置的影响。最后有针对地列举相关电连接器的感应钎焊焊接应用，以期获得焊接质量良好的微波组件。
 
 
二、感应钎焊的实际应用
 
      结合工程实例，针对影响功率设置和感应线圈设计的主要因素，从工件结构形式、工件材料、接触镀层以及焊料种类四个方面对感应钎焊电连接器的工艺设计进行了研究。
 
1、工件结构形式及线圈设计
 
       工件的结构形式主要是指工件的外形、尺寸以及工件上连接器的安装孔外形，它主要决定了感应线圈的结构设计和整个焊接工艺的难易程度。
 
2、工件材料的影响
 
        目前，常见的电子封装壳体、工件材料主要有钛合金、铝合金、Al-Si、AI-SiC、 可伐、钢、铜等同，根据性能指标要求这些材料被应用在电子封装领域的不同场合，表1列出了前四种材料的主要物理特性。所以，当以这些材料制作的工件使用感应钎焊技术焊接电迕接器时，根据前文所述的感应钎焊特点，这些材料的集肤效应不完全相同，其中材料的电导率、相对磁导率越小，集肤效应越弱;反之集肤效应则越显著。对于非磁性金属材料，因为磁导率较小(为常数1)，且与温度无关，所以集肤效应较弱，电阻热可以分布在I件较深部位，加热较均匀;而对于相对磁导率大于1的金属(如可伐)，集肤效应则要明显的多。同时在感应加热过程中，大部分金属的电导率会随着温度升高而减小，而机对磁导率会因为磁滞存在而变化，且会在温度超过居里点后材料接近顺磁。所以在感应钎焊时，需耍根据工件的这种温度分布特点，设置感应发生器的功率，以达到足够的有效功率，满足焊接质量需求。在感应加热时，金属会以辐射和热传导的形式对外、对内散热，由于不同金属的热导率不同，热导率越大传导热量越多越快，所以感应发生器的功率设置还必须兼顾热导率的影响，热导率小的金属，感应发生器功率设置相对增加。
 
3、精准控温的影响
 
        我们公司感应加热设备采用多段加热设置并有保温模式，加热过程中可以通过红外测温仪或其他设备与加热设备连接，从而达到自动加热的目的，确保对加热温度及加热工艺的准确性。由于传统高频机采用模拟量进行控制，而测温仪等设备普遍采用数字信号进行数据传递。由于其通讯方式的不同，其中就会存在“变送”过程，此过程的存在会导致迟滞情况很严重。就算对设备和红外测温设备进行匹配，将数字信号转化成模拟信号，由于控制的精度与分辨率低下等原因依然会导致迟滞情况很严重。然而在加工过程中，会导致加工精度大大降低，迟滞现象在很大程度上是导致加工失败的原因。在加热过程中，加热温度对焊接的强度、气密性、氧化程度及工件本身的物理特性都有很大的影响，可能会影响到此次焊接的成败。
 
4、高可靠性设计对焊接的影响
 
        在焊接时，设备的可靠性对加热过程及结果有直接影响。公司所有产品均已数字控制为核心。因为我们始终认为，数字化技术能使生产活动实现自动化、精准化、标准化、可复制化和数据可追溯化。我们只能用数据来说话！使用模拟感应加热设备进行焊接时，由于其控制方式的局限性，不同人员、不同时间的焊接参数都不尽相同。因此对于同款产品大批量生产使用模拟感应加热设备将无法满足焊接一致性的要求。而智能钎焊系统通过数字是嵌入式软件控制，加工参数可以精确到1A加工时间可以精确到0.1秒，所有加工参数都可以实时存储在SD卡中，方便数据调取做大数据分析。因此智能焊接系统保证了产品的焊接一致性！
 
 5、接触镀层的影响
 
        工件和连接器表面通常都会镀层薄薄的金 属镀层，依据其不同作用可以在0.4-3.5 μm之间，这些镀层主要起的是避免腐蚀和优化接触界面的作用。依据接触镀层的种类划分为两类:贵金属镀层和普通金属镀层，贵金属镀层包括金和钯及其合金材料，而普通金属镀层则包括了银、镍、锡和锡合金等。这些金属的可焊性和抗腐蚀特性不同，需要依据工程设计要求进行选择，如惰性贵金属Au，它不但具有相当优良的导电性能和导热性能，而且几乎在任何环境中，都有良好的抗腐蚀性。同时金镀层可以优化接触界面，使得原本可焊性不良的金属界面变得润湿良好。而银镀层虽然也有良好的可焊性，但有迁移和变色的缺陷，不适宜暴露在空气、湿气中使用。在感应钎焊工艺中，尤其需要关注接触镀层的可焊性和镀层质量可靠性，可焊性等级越高，则为形成质量可靠的焊点提供了基础。在感应焊接时，最基本的要求是:功率设置适当，以焊料完全熔化形成良好焊点，而接触镀层在加热时不起泡、不变色为宜。
 
   
6、焊料的选取
 
 
        感应钎焊连接器外观质量要求焊料填满缝隙、焊缝饱满、钎焊外露的一端形成均匀圆角等，这对焊料的选择提出了要求。感应钎焊的加热周期一般比较短，长则数分钟短则几秒钟就完成整个加热过程，使得焊料熔化完全、焊剂挥发完毕，且焊料均匀分布。在工程应用中发现，当使用焊膏形式的焊剂时，由于焊膏中的有机物较多，在短时间内难以氧化挥发完毕，且挥发时会产生气泡、焊料发生飞溅，造成如图5A所示的极小的锡珠飞溅，所以认为焊音不适合大量使用在感应钎焊工艺中。当使用焊片时，由于需要蘸取较多的助焊剂，焊接完成后可能会在缝隙中残留多余的助焊剂，且不易清洗， 所以认为不易润湿的焊片不适合大量使用在感应钎焊工艺巾。所以在感应钎焊时，为了使焊接后外观质量检验能满足设计要求，如表面光滑、填隙饱满等，焊料的选取至关重要。而对于焊料化合物种类的选择，主要考虑到焊料熔化温度要求，符合温度梯度设计。为了在焊缝处形成均匀圆角，且防止焊料外流，还必须选取合适的润湿角和表面张力的焊料。
 
图1 插接件（圆形）
   
        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，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。
 
 
图2插接件（矩形）
 
        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，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。
 
 
图3 其他各类插件
 
 
图4 全数字高频钎焊电源
 
 
图5 焊接 状态图
 
三、感应钎焊后的质量检测
 
        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。
 
 
 
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。
 
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。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，连接器与工件装配间隙完全钎着、无气孔，焊料完全铺展。
 
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GJB548B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5X 10-9(Pa/m�)*s(氦)，达到设计要求。
 
 
四、结论
 
 
        利用感应钎焊技术焊接了微波组件上的电连接理设计了与工件外形和尺寸相匹配的感应线圈，对成应钎焊工艺的参数进行了研究，优化设置了感应熙频率、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5X 10-9(Pa/m�)*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使用较为广泛。感应钎焊技术可以实现微波电连接器的快速焊接，焊接时焊料氧化少，焊接效率高，并且可以将热量控制在工件焊接局域部位。针对感应钎焊技术的集肤效应特点，对于电连接器焊接时，影响其工艺设计的因素:工件结构形式、工件材料、接触镀层以及焊料种类进行了研究。其中，工件的结构形式决定了感应线圈的结构设计和整个焊接工艺的难易程度，我们从凸台设计和装配问隙设计两方面对电连接器安装孔进行了设计;而工件的材料由于集肤效应的作用，直接决定了感应钎焊时的功率设置;最后，对于接触镀层和焊料种类的选取，我们提出以形成焊接质量良好的焊点、焊缝，以及接触镀层在焊接后不起泡、不变色为标准进行工艺设计。以上述工艺设计为指导，感应钎焊焊接获得的电连器都能满足相关质量要求，气密性指标优良。具有较强的推广价值。
 
 
 
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