CN113285222B - 一种多层微带印制天线底部垂直互连结构及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线馈电互连技术领域，具体涉及一种多层微带印制天线底部垂直互连结构及焊接方法，本发明通过改进了多层微带印制天线底部的垂直互连结构，对电路片、金属载体等的连接结构进行优化设置，在进行同轴垂直互连的同时还可避免同轴连接器连接处的结构干涉，有利于整体结构的一体集成化和小型化，且改进后的结构也避免了性能上的衰减和损耗，即使长期使用也能够保证可靠性。所有的结构连接和电气连接处理采用焊料焊接，实现了结构功能一体化，提高可靠性。采用多步梯度匹配焊接方式，降低装配焊接难度，防止焊料重熔导致的短路或开路。

Description

一种多层微带印制天线底部垂直互连结构及焊接方法
技术领域
本发明涉及天线馈电互连技术领域，具体涉及一种多层微带印制天线底部垂直互连结构及焊接方法。
背景技术
随着相控阵系统朝小型化、高密度集成化、阵列化以及隐身等方向发展，微带印制天线广泛应用于相控阵系统。印制天线互连有两种形式：侧面互连和底部垂直互连。其中印制天线底部垂直互连一般采用同轴探针互连的方式。
目前印制天线底部同轴探针互连方式，一般采用天线接地板一侧用导电胶粘接在金属载体上、带法兰的同轴接头用螺钉紧固在金属载体上，同轴接头的内导体探针穿过介质，穿出印制天线电路片的辐射面，用导电胶或焊锡与辐射片连接。
在电性能上，同轴探针穿出辐射片的突起尖端有极强的尖端表面电流，影响天线辐射性能和隐身性能。
在结构上，带法兰的同轴接头的突起结构妨碍微带天线的集成一体化，不利于结构小型化。
在装配工艺上，导电胶粘接存在空洞率高、老化、长期可靠性问题，在非保护气氛环境下长期工作时，会逐渐出现导电性能下降，电阻增大和粘接力降低甚至导致天线电路片脱落等现象。
因此，现有的印制天线底部同轴探针互连的结构存在缺陷，其不仅整体结构难以满足小型化和集成化的需求，性能上也难以满足辐射与隐身的需求，这些都是亟待改进之处，应当对印制天线的结构进行优化改进以提高印制天线的整体性能，满足当下的印制天线发展需求，故需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中的不足。
发明内容
为了解决上述内容中提到的现有技术缺陷，本发明提供了一种多层微带印制天线底部垂直互连结构及焊接方法，通过改进印制天线的组成结构，实现一体化垂直互连结构，解决现有互连方式中，结构上同轴探针突起尖端和同轴接头突起影响天线辐射性能、隐身性能和妨碍一体化、小型化问题，以及导电胶粘接互连方法存在空洞率高、老化、长期可靠性的问题。
为了实现上述目的，本发明在结构改进上具体采用的技术方案是：
一种多层微带印制天线底部垂直互连结构，包括金属载体，金属载体上设置多层微带印制电路片；所述的金属载体上设置有同轴连接器，金属载体的上表面与多层微带印制电路片下表面之间设置焊料，同轴连接器上设置有同轴连接器中心导体，同轴连接器中心导体的一端连接同轴连接器，同轴连接器中心导体的另一端连接至多层微带印制电路片内部；多层微带印制电路片上设置有与同轴连接器中心导体配合连接的馈电孔，还设置有与馈电孔同轴的电路片排气孔。
上述公开的垂直互连结构，通过金属载体上的同轴连接器使同轴连接器中心导体、馈电孔和电路片排气孔同轴连接，同时减小了垂直互连结构的整体大小，便于整个垂直互连结构的一体集成化和小型化；同轴连接器的设置方式没有凸出结构，便于保证天线的辐射性能和隐身性能。
进一步的，本发明中所采用的金属载体，在设置同轴连接器时使同轴连接器完全嵌入，不包括会对多层微带印制电路片的结构产生干涉，也不会对造成整体导电性能等减弱，金属载体设置同轴连接器的结构可被构造成多种形式，其并不唯一限定，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的金属载体上设置有贯通金属载体上下两表面的台阶孔，所述的同轴连接器设置于台阶孔内，且同轴连接器的上端面低于金属载体上表面0.05～0.5mm。采用如此方案时，台阶孔一般为两阶，其靠近金属载体下表面的孔径大于金属载体上表面的孔径，当同轴连接器由下往上嵌入台阶孔之后，可通过在孔径较大的孔内进行焊接的方式将同轴连接器固定在台阶孔中。将同轴连接器的上端面设置为低于金属载体上表面的结构，其目的在于防止印制天线电路片的底部馈电孔内的焊料溢出与同轴连接器外导体短路。同时，采用金属载体上垂直内嵌同轴连接器，多层微带印制电路片底部馈电孔嵌套同轴连接器中心导体的垂直互连结构，避免了天线组件上下表面突起结构，提高多层微带印制天线辐射性能和隐身性能，便于系统垂直方向的一体化集成和小型化。
进一步的，在进行多层微带印制电路片的连接时，需要满足同轴连接器、同轴连接器中心导体、馈电孔和电路片排气孔的同轴结构，因此设置同轴连接器需要保持极高的稳定可靠性，可通过多种可行的结构进行设定，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的台阶孔垂直设置于金属载体上，所述的同轴连接器的下端边缘与台阶孔的孔壁通过焊接的方式连接，焊接面采用的焊料为中高温软钎焊料。采用如此方案时，所述的中高温软钎焊料可采用但不限于金锡或锡锑等焊接温度在230℃～300℃的焊料。
进一步的，本发明还对多层微带印制电路片的接地结构进行优化，此处举出其中一种可行的选择：所述的多层微带印制电路片上设置有若干接地孔，接地孔在馈电孔的周围沿圆周间隔均布并与馈电孔的相对位置形成类同轴结构，接地孔与多层微带印制电路片的电路片底面地板互联。采用此方案时，一般设置接地孔的数量不小于六，这样设置可降低在实际信号传输时的损耗。
进一步的，为了提高同轴连接器中心导体与馈电孔连接的稳定可靠性，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的多层微带印制电路片的下表面设置有表面焊盘，表面焊盘覆盖馈电孔的下端口；且表面焊盘的边缘设置有一定宽度的防护带结构。采用此方案时，一般将防护带结构的宽度设置为大于等于0.3mm。
进一步的，多层微带印制电路片与金属载体连接时，采用如此处所述的优化选择：所述的多层微带印制电路片焊接于金属载体的上表面，且焊接面采用的焊料为低温软钎焊料。
进一步的，对同轴连接器中心导体与馈电孔的连接关系进行优化设置，可采用如下一种优化后的选择：所述的同轴连接器中心导体插入馈电孔的一端通过焊接的方式进行连接固定，焊接处采用的焊料为低温软钎焊料。采用如此方案时，可将同轴连接器中心导体与馈电孔的连接进行增强，帮助后续工作中的信号传输，保持天线的通信能力。
进一步的，对金属载体的结构进行优化，举出如下一种可行的选择：所述的金属载体上设置有载体排气孔，所述的载体排气孔贯穿金属载体的上下两个表面。采用如此方案时，载体排气孔的一个作用是排除空气，用于焊接电路片与金属载体的过程中进行空气排除，避免出现焊接面空洞的现象，提高焊接结构的可靠性。
再进一步，多层微带印制电路的作用是进行电路的导通，在其上设置电路，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的多层微带印制电路片内设置有若干金属导体层。采用如此方案时，通过导体层设置电路片内的印制电路，用于信号的处理和传递。
上述内容公开了印制天线的整体组成结构，本发明还具体公开了该种印制天线的焊接方法，具体采用的技术方案如下：
一种多层微带印制天线底部垂直互连结构的焊接方法，包括：
通过在同轴连接器尾端处的金属载体最外侧的台阶孔内放置中高温软钎焊料，在金属载体上焊接同轴连接器；
通过钢网印刷的方式将低温软钎焊料涂敷在多层微带印制电路片的下表面，同时在馈电孔的内表面预置馈电互连焊料；
将多层微带印制电路片贴合压紧在金属载体上，使同轴连接器中心导体插入到馈电孔内；
采用整体回流焊接的方式将多层微带印制电路片焊接固定在金属载体上，且同时使同轴连接器中心导体与馈电孔焊接连接。
上述公开的焊接方法，在进行焊接的过程中分别对金属载体、同轴连接器、多层微带印制电路片以及馈电孔的连接面进行处理，设置好焊料后将需要焊接的部件对应拼合到位并整体上回流焊接，不仅效率高，工艺实现容易，还提高了焊接后的结构可靠性，避免了底部连接的空洞问题，也减少了对信号的传输影响，长期使用也能够保持可靠性。
进一步的，上述公开的钢网开孔方式可采用如下一种优选的方案：接地焊接区域采用网格架桥方式开孔，在微带印制天线接地面上印刷形成一定间隙，阵列的焊膏涂敷图形，面积占比70％左右，其中间隙与金属载体或印制天线电路片上的排气孔对准，避免排气孔被焊膏堵住，保证足够的排气通道和足够的焊料。
上述公开的方式种，采用钢网印刷焊膏方式预置焊料，网格阵列化的焊膏涂敷图形，金属载体和多层微带印制电路片上设计排气孔结构，实现了印制天线焊接焊料精确控制和提高焊料预置效率，可使地板接地焊接空洞率≤30％，印制天线电路片底部馈电孔与同轴内导体焊接透锡率≥75％，满足IPC-610-F三级要求。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明通过改进了多层微带印制天线底部的垂直互连结构，对电路片、金属载体等的连接结构进行优化设置，在进行同轴垂直互连的同时还可避免同轴连接器连接处的结构干涉，有利于整体结构的一体集成化和小型化，且改进后的结构也避免了性能上的衰减和损耗，即使长期使用也能够保证可靠性。所有的结构连接和电气连接处理采用焊料焊接，实现了结构功能一体化，提高可靠性。采用多步梯度匹配焊接方式，降低装配焊接难度，防止焊料重熔导致的短路或开路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为多层微带印制天线底部垂直互连结构的剖视结构示意图。
图2为印制天线底部互连孔结构图。
图3为焊接方法的流程示意图。
上述附图中，各个标号所表示的含义为：1、金属载体；2、同轴连接器；3、多层微带印制电路片；4、同轴连接器中心导体；5、中高温软钎焊料；6、载体排气孔；7、低温软钎焊料；8、接地孔；9、馈电孔；10、电路片排气孔；11、金属导体层；12、馈电孔表面焊盘；13、阻焊防护层；14、电路片底面地板。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例1
针对现有的多层微带印制天线存在的结构难以小型化、集成化，以及天线的辐射性能和隐身性能难以得到满足的现状，本实施例举出一种优化后的底部垂直互连结构，以解决天线结构上存在的不足。
具体的，本实施例所采用的技术方案如下：
如图1所示，一种多层微带印制天线底部垂直互连结构，包括金属载体1，金属载体1上设置多层微带印制电路片3；所述的金属载体1上设置有同轴连接器2，金属载体1与多层微带印制电路片3之间设置同轴连接器中心导体4，同轴连接器中心导体4的一端连接至同轴连接器2，同轴连接器中心导体4的另一端连接至多层微带印制电路片3；多层微带印制电路片3上设置有与同轴连接器中心导体4配合连接的馈电孔9，还设置有与馈电孔9同轴的电路片排气孔10。
优选的，所述的多层微带印制电路片3采用三层结构。
上述公开的垂直互连结构，通过金属载体1上的同轴连接器2使同轴连接器中心导体4、馈电孔9和电路片排气孔10同轴连接，同时减小了垂直互连结构的整体大小，便于整个垂直互连结构的一体集成化和小型化；同轴连接器2的设置方式没有凸出结构，便于保证天线的辐射性能和隐身性能。
本实施例中所采用的金属载体1，在设置同轴连接器2时使同轴连接器2完全嵌入，不包括会对多层微带印制电路片3的结构产生干涉，也不会对造成整体导电性能等减弱，金属载体1设置同轴连接器2的结构可被构造成多种形式，其并不唯一限定，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的金属载体1上设置有贯通金属载体1上下两表面的台阶孔，所述的同轴连接器2设置于台阶孔内，且同轴连接器2的上端面低于金属载体1上表面0.05～0.5mm。采用如此方案时，台阶孔一般为两阶，其靠近金属载体1下表面的孔径大于金属载体1上表面的孔径，当同轴连接器2由下往上嵌入台阶孔之后，可通过在孔径较大的孔内进行焊接的方式将同轴连接器2固定在台阶孔中。将同轴连接器2的上端面设置为低于金属载体1上表面的结构，其目的在于防止印制天线电路片的底部馈电孔9内的焊料溢出与同轴连接器2外导体短路。同时，采用金属载体1上垂直内嵌同轴连接器2，多层微带印制电路片3底部馈电孔9嵌套同轴连接器中心导体4的垂直互连结构，避免了天线组件上下表面突起结构，提高多层微带印制天线辐射性能和隐身性能，便于系统垂直方向的一体化集成和小型化。
优选的，本实施例中采用微波/毫米波绝缘子、SMP、SMPM或WMP等同轴连接器2，其用于连接多层微带印制电路片3和后端组件。多层微带印制电路片3底部焊接在金属载体1上表面接地，底部垂直设置的馈电孔9嵌套同轴连接器2内的同轴连接器中心导体4并焊接。
在进行多层微带印制电路片3的连接时，需要满足同轴连接器2、同轴连接器中心导体4、馈电孔9和电路片排气孔10的同轴结构，因此设置同轴连接器2需要保持极高的稳定可靠性，可通过多种可行的结构进行设定，本实施例进行优化并采用其中一种可行的选择：所述的台阶孔垂直设置于金属载体1上，所述的同轴连接器2的下端边缘与台阶孔的孔壁通过焊接的方式连接，焊接面采用的焊料为中高温软钎焊料5。采用如此方案时，所述的中高温软钎焊料5可采用但不限于金锡或锡锑等焊接温度在230℃～300℃的焊料。
本实施例还对多层微带印制电路片3的接地结构进行优化，本实施例采用其中一种可行的选择：所述的多层微带印制电路片3上设置有若干接地孔8，接地孔8在馈电孔9的周围沿圆周间隔均布并与馈电孔9的相对位置形成类同轴结构，接地孔8与多层微带印制电路片3的电路片底面地板14互联。采用此方案时，一般设置接地孔8的数量不小于六，这样设置可降低在实际通电应用时的功耗。一般的，馈电孔9设置为内导体，而接地孔8设置为外导体。
为了提高同轴连接器中心导体4与馈电孔9连接的稳定可靠性，本实施例进行优化并采用其中一种可行的选择：所述的多层微带印制电路片3的下表面设置有表面焊盘12，表面焊盘覆盖馈电孔9的下端口；且表面焊盘的边缘设置有一定宽度的阻焊防护层13。采用此方案时，一般将阻焊防护层的宽度设置为大于等于0.3mm。
优选的，所述的表面焊盘环宽为0.1mm～0.5mm。
优选的，本实施例中多层微带印制电路片3与金属载体1连接时，采用如此处所述的优化选择：所述的多层微带印制电路片3焊接于金属载体1的上表面，且焊接面采用的焊料为低温软钎焊料7。
优选的，对同轴连接器中心导体4与馈电孔9的连接关系进行优化设置，本实施例采用如下一种优化后的选择：所述的同轴连接器中心导体4插入馈电孔9的一端通过焊接的方式进行连接固定，焊接处采用的焊料为低温软钎焊料7。采用如此方案时，可将同轴连接器中心导体4与馈电孔9的连接进行增强，帮助后续工作中的信号传输，保持天线的通信能力。
对金属载体1的结构进行优化，采用如下一种可行的选择：所述的金属载体1上设置有载体排气孔6，所述的载体排气孔6贯穿金属载体1的上下两个表面。采用如此方案时，载体排气孔6的一个作用是排除空气和焊料中的助焊剂，用于焊接电路片与金属载体1的过程中进行空气和焊料中的助焊剂排除，避免出现焊接面空洞的现象，提高焊接结构的可靠性。
优选的，本实施例中的载体排气孔6可设置为直径大于0.5mm的通孔，相邻通孔之间的距离为5～30mm；同理，多层微带印刷电路片上的载体排气孔6设置为直径大于等于0.3mm的通孔。
多层微带印制电路片3的作用是进行电路的导通和信号的辐射和接受，在其上设置电路，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的多层微带印制电路片3内设置有若干金属导体层11。采用如此方案时，通过导体层设置电路片内的印制电路，用于信号的处理和传递。
优选的，本实施例中的金属导体层11采用铜材料制成。
优选的，所述的电路片排气孔10错开金属导体层11设置。
实施例2
上述实施例的内容公开了印制天线的整体组成结构，本实施例还具体公开了该种印制天线底部的垂直互连结构的焊接方法，具体采用的技术方案如下：
如图2所示，一种多层微带印制天线底部垂直互连结构的焊接方法，包括：
S01：采用中高温软钎焊料在金属载体上焊接同轴连接器，中高温软钎焊料预置在同轴连接器的尾端；
S02：通过钢网印刷的方式将低温软钎焊料涂敷在多层微带印制电路片的下表面，同时在馈电孔的内表面预置馈电互连焊料；
S03：将多层微带印制电路片贴合压紧在金属载体上，使同轴连接器中心导体插入到馈电孔内；
S04：采用整体回流焊接的方式将多层微带印制电路片焊接固定在金属载体上，且同时使同轴连接器中心导体与馈电孔焊接连接。
优选的，本实施例中，中高温软钎焊料和低温软钎焊料的熔点至少相差45℃，本实施例中采用梯度匹配的分步焊接方法。
上述公开的焊接方法，在进行焊接的过程中分别对金属载体、同轴连接器、多层微带印制电路片以及馈电孔的连接面进行处理，设置好焊料后将需要焊接的部件对应拼合到位并整体上回流焊接，不仅效率高，工艺实现容易，还提高了焊接后的结构可靠性，避免了底部连接的空洞问题，也减少了对信号的传输影响，长期使用也能够保持可靠性。
上述公开的钢网开孔方式可采用如下一种优选的方案：接地焊接区域采用网格架桥方式开孔，在微带印制天线接地面上印刷形成一定间隙，阵列的焊膏涂敷图形，面积占比70％左右，其中间隙与金属载体或印制天线电路片上的排气孔对准，避免排气孔被焊膏堵住，保证足够的排气通道和足够的焊料。
上述公开的方式种，采用钢网印刷焊膏方式预置焊料，网格阵列化的焊膏涂敷图形，金属载体和多层微带印制电路片上设计排气孔结构，实现了印制天线焊接焊料精确控制和提高焊料预置效率，可使地板接地焊接空洞率≤30％，印制天线电路片底部馈电孔与同轴内导体焊接透锡率≥75％，满足IPC-610-F三级要求。
同时，本实施例采用的互连结构和焊接方法，实现了多层微带印制天线底部垂直互连，宽带高频信号(DC-30GHz)的驻波损耗≤2。
以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种多层微带印制天线底部垂直互连结构，其特征在于：包括金属载体(1)，金属载体(1)上设置多层微带印制电路片(3)；所述的金属载体(1)上设置有同轴连接器(2)，金属载体(1)上表面与多层微带印制电路片(3)下表面之间设置低温软钎焊料(7)，同轴连接器(2)上设置有同轴连接器中心导体(4)，同轴连接器中心导体(4)的一端连接同轴连接器(2)，同轴连接器中心导体(4)的另一端连接至多层微带印制电路片(3)；多层微带印制电路片(3)上设置有与同轴连接器中心导体(4)配合连接的馈电孔(9)，还设置有与馈电孔(9)同轴的电路片排气孔(10)；
所述的金属载体(1)上设置有贯通金属载体(1)上下两表面的台阶孔，所述的同轴连接器(2)设置于台阶孔内，且同轴连接器(2)的上端面低于金属载体(1)上表面0.05～0.5mm；
所述的同轴连接器(2)的下端边缘与台阶孔的孔壁通过焊接的方式连接，焊接面采用的焊料为中高温软钎焊料(5)；
所述的金属载体(1)上设置有载体排气孔(6)，所述的载体排气孔(6)贯穿金属载体(1)的上下两个表面。
2.根据权利要求1所述的多层微带印制天线底部垂直互连结构，其特征在于：所述的台阶孔垂直设置于金属载体(1)上。
3.根据权利要求1所述的多层微带印制天线底部垂直互连结构，其特征在于：所述的多层微带印制电路片(3)上设置有若干接地孔(8)，接地孔(8)与多层微带印制电路片(3)的电路片底面地板(14)互联，且在馈电孔(9)的周围沿圆周间隔均布并与馈电孔(9)的相对位置形成类同轴结构。
4.根据权利要求1所述的多层微带印制天线底部垂直互连结构，其特征在于：所述的多层微带印制电路片(3)的下表面设置有馈电孔表面焊盘(12)，馈电孔表面焊盘(12)覆盖馈电孔(9)的下端口；且表面焊盘的边缘设置有阻焊防护层(13)。
5.根据权利要求1所述的多层微带印制天线底部垂直互连结构，其特征在于：所述的多层微带印制电路片(3)焊接于金属载体(1)的上表面，且焊接面采用的焊料为低温软钎焊料(7)。
6.根据权利要求1所述的多层微带印制天线底部垂直互连结构，其特征在于：所述的同轴连接器中心导体(4)的一端插入馈电孔(9)并通过焊接的方式进行连接固定，焊接处采用的焊料为低温软钎焊料(7)。
7.根据权利要求1所述的多层微带印制天线底部垂直互连结构，其特征在于：所述的多层微带印制电路片(3)内设置有若干金属导体层(11)。
8.一种多层微带印制天线底部垂直互连结构的焊接方法，其特征在于，焊接权利要求1至7任一项所述的多层微带印制天线底部垂直互连结构，包括：
在所述的金属载体上设置贯通金属载体上下两表面的台阶孔，将所述的同轴连接器设置于台阶孔内，采用中高温软钎焊料在金属载体上焊接同轴连接器，中高温软钎焊料预置在同轴连接器的尾端；通过钢网印刷的方式将低温软钎焊料涂敷在多层微带印制电路片的下表面，同时在馈电孔的内表面预置馈电互连焊料；
将多层微带印制电路片贴合压紧在金属载体上，使同轴连接器中心导体插入到馈电孔内；
将所述的同轴连接器的下端边缘与台阶孔的孔壁通过焊接的方式连接，焊接面采用的焊料为中高温软钎焊料，在所述的金属载体上设置有载体排气孔，所述的载体排气孔贯穿金属载体的上下两个表面，且同时使同轴连接器中心导体与馈电孔焊接连接。
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