CN114024115B - 一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件及焊接方法，属于真空钎焊焊接技术领域。波导壳体的顶面为焊接面，在焊接面上设有阻焊坝，阻焊坝沿焊接面轮廓形成封闭区域；通过对高频波导组件的工艺性改进，阻焊坝一方面有效抑制焊料的无序流动，另一方面实现对焊料漫流的精确控制，提高了波导腔的尺寸精度；依据焊片厚度、焊接面积，结合焊料熔化过程中的焊接原理，通过计算得到最佳阻焊坝的尺寸范围。本发明的焊接方法优点在于：在波导壳体上设置镂空结构、优化焊片结构、优化焊接盖板厚度和平面度，并配合真空钎焊的工艺方法，进一步降低了焊料漫流的可能；本发明即提高了高频波导组件的质量和成品率，又保证了高频波导组件质量的一致性。

Description

一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件及焊接方法

技术领域

本发明属于真空钎焊焊接技术领域，具体涉及具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件及焊接方法。

主要通过在波导侧壁两侧设置阻焊坝、以及对盖板及壳体镂空的结构设计，从而抑制波导腔体功分器的盖板在低温钎焊过程中焊料漫流入波导腔的一种结构形式及方法。

背景技术

具有损耗低、功率容量大、宽带大等高性能的高频波导组件主要由壳体、盖板和连接器三部分组成；壳体上设计有下沉式通道，该通道通过壳体与盖板的紧密贴合形成密闭腔道，即波导腔。波导腔连通输入总口连接器和各个输出分口连接器。通过波导腔的传输、分流、过滤等作用实现功能。这种高频波导组件的工作波长一般很短，波导腔内细微变化即能对波导信号的传播造成显著影响。对于盖板与壳体之间的连接，采用的工艺方法是预先在盖板与壳体之间放置焊片，然后通过低温真空钎焊，焊料熔化，在界面上形成合金层，使盖板与壳体两者结合在一起。但是，现有的盖板和壳体的下沉式通道顶部均为平面结构形式，充分熔化后的焊料会在焊接面上无序漫流而流淌到非焊接区域。这种无序漫流导致波导功分器存在以下问题：（1）焊料无序漫流至波导腔内积聚，造成波导腔尺寸变化，同时造成焊接面的焊料缺失，不同波导腔相互贯通，从而影响波导组件的使用性能；（2）波导功分器选用的连接器内导体长度往往较短，同时安装孔端部和内导体匹配的耦合孔直径较小，在进行盖板焊接时，焊料容易漫流至内导体处，从而造成内导体短路。

发明内容

为了解决高频波导组件的盖板与壳体在钎焊时焊料的无序漫流，造成焊接面焊料缺失、波导腔内焊料堆积、连接器短路等问题，本发明提供一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件，同时，提供一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件的焊接方法。

一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件包括波导壳体和盖板；所述波导壳体的顶面为焊接面，焊接面上设有阻焊坝，所述阻焊坝沿焊接面轮廓形成封闭区域；所述阻焊坝的高度为焊料厚度的50%-70%，阻焊坝的宽度为焊接面宽度的5%-15%；

若焊接面的宽度大于盖板厚度的3倍以上时，在波导壳体上设置镂空区域；使焊接面转换为由若干矩形条连接形成的规则的条形平面或不规则的条形平面；

所述波导壳体和盖板上分别开设有对应配合的2-3个定位孔，所述2-3个定位孔位于由阻焊坝形成的封闭区域内，且每个定位孔内设有定位销；

当真空钎焊焊接时，焊片放置于由阻焊坝形成的封闭区域内，并盖上盖板，使波导壳体、焊片和盖板由定位销确定定位；所述盖板和焊片的装配间隙不大于0.02毫米。

所述阻焊坝的结构及参数设置如下：

所述阻焊坝是壳体焊接面高度方向的限位凸台，旨在将焊料熔化后的无序漫流控制在阻焊坝之间的焊接面上；

所述阻焊坝形状与位置，阻焊坝呈条状，阻焊坝底面与壳体上表面共面，阻焊坝其中一侧面和壳体侧面共面，另一侧面与焊接面垂直；

所述阻焊坝的宽度要选择合适；宽度过大，焊料的毛细吸附难以覆盖到阻焊坝外侧；宽度过小，阻焊坝强度不足且不便于加工；推荐阻焊坝的宽度W_阻焊坝为焊接面宽度W_焊接面的5%-15%为宜。

所述阻焊坝高度，要高于焊接面，低于焊料高度；要满足焊片熔化后在焊接面位置存储焊料的需求，同时满足焊料在焊接面的两侧形成的焊接润湿圆角、及阻焊坝上表面与盖板之间形成焊接的需求。

所述焊料的总体积V_焊料由焊接面上的焊料体积V_焊接面、阻焊坝上表面的焊料体积V_阻焊坝和盖板与壳体之间润湿圆角的焊料体积V_圆角三部分组成，即V_焊料=V_焊接面+V_阻焊坝+V_圆角。

其中所述焊料的总体积V_焊料和熔化前焊片的体积相同，为焊接面S_焊接面与焊料厚度δ_焊料的乘积，即V_焊料=S_焊接面×δ_焊料；

其中所述焊接面上的焊料体积V_焊接面是焊接面S_焊接面与阻焊坝高度H_阻焊坝的乘积，即V_焊接面=S_焊接面×H_阻焊坝；

其中所述阻焊坝上表面的焊料体积V_阻焊坝是阻焊坝面积S_阻焊坝与阻焊坝上表面到盖板下表面距离H_焊缝的乘积，由于阻焊坝焊接面在高温高压下成型，H_焊缝非常小，再加上阻焊坝宽度仅为焊接面W_焊接面宽度的5%-15%，因此阻焊坝面积S_阻焊坝也非常小，因此V_阻焊坝忽略不计。

其中所述盖板与波导壳体之间润湿圆角的焊料体积V_圆角包含焊接面两侧的盖板和波导壳体形成的两处焊料润湿圆角，润湿圆角呈弧状依附在盖板与波导壳体的垂直交叉面上，与盖板、波导壳体的润湿角一般为30-55°，润湿圆角的焊料量要适当，焊料过少，盖板与波导壳体之间焊接不良，焊料过多，焊料的重力大于波导壳体、盖板对焊料的吸附力，而导致焊料流入波导腔内。一般设置润湿圆角处的焊料体积为总体积的20%-40%为宜。

即焊接面区域的焊料体积为焊料总体积的60%-80%，焊接面区域的焊料高度为焊片高度的60%-80%，考虑阻焊坝表面也有一层薄焊料，因此阻焊坝高度H_阻焊坝稍低于焊接面区域的焊料高度，阻焊坝的高度H_阻焊坝为焊料高度H_焊料的50%-70%。

所述焊接面为由若干矩形条连接形成的规则的条形平面或不规则的条形平面，所述焊接面的宽度为盖板厚度的1.5-2.5倍；所述焊接面的平面度不大于0.02毫米。

本发明提出的在阻焊坝这一新的结构形式下，在波导壳体、焊片、盖板进行结构形式改进，具体形式是对波导壳体焊接面、焊片外形、波导壳体和盖板的平面度、定位等进行调整及要求。

所述波导壳体、焊片、盖板的结构及参数调整如下：

所述波导壳体上相邻阻焊坝之间焊接面宽度要选择合适；宽度过大，焊接面积相应增大，焊接时受温度及重力的焊料无序漫流增多，影响焊接质量；宽度过小，焊接面积相应减小，难以形成有效连接；焊接面的宽度一般设置为盖板厚度的1.5-2.5倍，若阻焊坝的宽度大于盖板厚度的3倍以上时，将对应的波导壳体上的区域进行中间镂空处理。

所述盖板厚度的优化，为提高焊接效率、减小焊接温度的不均匀性，以及降低盖板焊接时的热容量，盖板的厚度不易过大，原则上不大于3毫米；盖板厚度设置为1-3毫米。

所述盖板平面度的要求，为提高波导内腔焊后尺寸的一致性，盖板在焊接时，盖板的反弹要尽量小，盖板的平面度要尽量小；盖板的平面度设置满足以下原则：

盖板的厚度δ_盖板＜1mm时，零件平面度≤0.3mm；

盖板的厚度1mm≤δ_盖板≤2mm时，零件平面度≤0.15mm；

盖板的厚度2mm＜δ_盖板≤4mm时，零件平面度≤0.05mm；

作为上述方案的进一步优化，为防止盖板焊接过程中位置移动，盖板上均匀设置2-3处定位孔，同时，为保证焊接过程焊片厚度变化时盖板在垂直方向能够自由运动，定位孔和定位销的装配间隙不小于0.02mm。

所述焊片的优化，设置焊片外形形状为波导壳体上阻焊坝形成的封闭区域内，一般焊片厚度选择为0.1mm。

所述波导壳体、焊片、盖板进行焊接装配，焊片和盖板采用销钉导向安装。

在盖板上施加焊接压力后，需采用塞尺对盖板与焊片之间的装配间隙进行检测，保证焊前装配间隙≤0.02mm。

一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件的焊接操作步骤如下：

（1）使用无水乙醇或异丙醇类溶剂将波导壳体的焊接面和盖板的焊接面擦拭清洁；

（2）将波导壳体的焊接面朝上，在阻焊坝形成的封闭区域内放置焊片，将定位销垂直安装到波导壳体的定位孔中；盖上盖板，使波导壳体、焊片和盖板由定位销确定定位；

（3）将压块压装到盖板上；用塞尺对波导组件装配间隙进行检测，保证焊接前所述盖板和焊片的装配间隙≤0.02mm；

（4）将装配好的波导壳体和盖板放入真空钎焊炉中，焊接峰值温度为焊料熔点以上20-25℃；

（5）随炉冷却至室温，去除压块工装，得到焊接完成的高频波导组件；通过X-ray设备进行检查，波导腔体内和壳体外侧无焊锡，阻焊坝边界清晰，相邻波导腔之间无贯通。

步骤（4）中，所述焊料为Sn63Pb37锡铅焊片（熔点183℃）时，焊接过程设置为四个阶段，预热区温度从室温升至150℃，升温时间约150s；保温区温度从150℃升至183℃，升温时间约35s；焊接区温度从183℃升至203℃左右，升温时间约15s；峰值区203℃保持30s。

步骤（4）中，所述焊料为In52Sn48铟锡焊片（熔点118℃）时，焊接过程设置为四个阶段，预热区温度从室温升至90℃，升温时间约85s；保温区温度从90℃升至118℃，升温时间约30s；焊接区温度从118℃升至138℃左右，升温时间约15s；峰值区138℃保持30s。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明通过在波导壳体的顶部焊接面上设置阻焊坝，即进行工艺性结构改进，将焊料的漫流控制在阻焊坝内，实现真空钎焊时抑制焊料漫流入波导腔，提高了波导腔的尺寸精度，同时，提升了产品的良品率和一致性。

2.本发明焊接方法，在波导壳体上设置镂空结构、优化焊片结构、优化焊接盖板厚度和平面度，并配合真空钎焊的工艺方法，进一步降低了焊料漫流的可能；焊料不再流出焊接面，焊接面的焊料充足，既确保了焊接质量，也保证了不同端口波导腔之间的有效隔离；同时波导腔内也没有焊锡堆积，提高了波导腔尺寸精度，功分器的使用性能不受影响；内导体位置也不会受到焊料漫流影响，不再出现内导体短路的异常情况。

附图说明

图1为波导功分器结构示意图。

图2为图1中波导壳体结构示意图。

图3为图1的A-A剖视图。

图4为图3的局部放大图。

图5为波导组件的结构示意图。

图6为图5中壳体结构示意图。

图7为图5的B-B剖视图。

上图中序号：盖板1、波导腔2、波导壳体3、焊片4、定位销5、阻焊坝31、镂空区域32、定位孔33。

W_阻焊坝—阻焊坝宽度，H_阻焊坝—阻焊坝高度，W_焊接面—焊接面宽度，δ_焊片—焊片厚度，δ_盖板—盖板厚度。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例1以某波导功分器为例。

参见图1，波导功分器包括盖板1和波导壳体3。为避免焊片4熔化后漫流入波导腔2内，对波导壳体3进行了工艺改进；参见图2，波导壳体3上设有波导腔2，波导壳体3的顶面为焊接面，焊接面上设有阻焊坝31，阻焊坝31沿焊接面轮廓形成的封闭区域。

波导壳体上相邻阻焊坝31之间焊接面宽度要选择合适；在确保焊接质量的前提下，减少焊接面积，控制焊料无序漫流。焊接面的宽度为盖板厚度的2倍。

参见图3，阻焊坝31能起到抑制焊片4熔化后流向波导腔2，阻焊坝高度H_阻焊坝设置要避免焊片4熔化后造成焊接面焊料的不足，形成焊接空洞，阻焊坝高度H_阻焊坝为焊料厚度δ焊料50%-70%，；本例H_阻焊坝设置为60%。

阻焊坝31的宽度W_阻焊坝应为焊接面宽度W_焊接面的5%-15%；本例设置为10%，即W_阻焊坝为0.2mm。

参见图2，若焊接面的宽度大于盖板厚度的3倍以上时，在波导壳体3上设置镂空区域32；使焊接面转换为由若干矩形条连接形成的规则的条形平面或不规则的条形平面，焊接面的宽度为盖板厚度的2.5倍，焊接面的平面度不大于0.02毫米。

盖板1在焊接时与波导壳体3赋形性好，要求盖板1的厚度在满足力学要求的前提下尽量薄，盖板1的厚度为1mm，盖板1的平面度≤0.3mm。

盖板1与波导壳体3焊接装配时，为保证焊片熔化时盖板1位置不移动及焊片装配定位，在波导壳体3和盖板1上分别开设有对应配合的2个定位孔33，2个定位孔33位于由阻焊坝形成的封闭区域内，且每个定位孔内设有定位销5；为保证焊接时盖板1在厚度方向的自由运动，定位孔33与定位销5的间隙不小于0.02mm。

焊料选用0.1mm厚的锡铅焊片（Sn63Pb37，熔点183℃）。焊片2的形状与阻焊坝31沿焊接面轮廓形成的封闭区域的形状保持一致。

基于实施例1的具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件的焊接操作步骤如下：

（1）取波导壳体3和盖板1，对焊接面分别用无水乙醇进行擦拭清洁处理；将波导壳体3水平摆放，焊接面朝上，在阻焊坝31沿焊接面轮廓形成的封闭区域内均匀涂覆少量助焊剂，注意助焊剂不得涂到波导腔内；助焊剂为R型助焊剂。

（2）安装定位销钉5，擦拭焊片表面，将焊片4放入阻焊坝31沿焊接面轮廓形成的封闭区域内；在焊片4上均匀涂覆少量助焊剂，放置盖板1到焊片4上，通过定位销5使盖板1不得水平移动焊片4。

（3）将压块压装到盖板1上，采用塞尺对装配间隙进行检测，保证焊前盖板1与焊片4之间的装配间隙≤0.02mm；压块材料为黄铜，表面镀镍处理，压块的外形与盖板相同，厚度12mm。

（4）将装配好的高频波导组件放入真空钎焊炉中，选择合适的炉温参数，焊接过程设置为四个阶段，预热区温度从室温升至150℃，升温时间约150s；保温区温度从150℃升至183℃，升温时间约35s；焊接区温度从183℃升至203℃左右，升温时间约15s；峰值区203℃保持30s。

（5）随炉冷却，取出高频波导组件，去除压块，得到焊接完成的波导功分器组件。

通过X-ray检测设备进行观察，可以发现无焊料流淌至波导腔体内，阻焊坝边界清晰，焊接面的焊料分布均匀无断开，相邻波导腔之间无贯通。

实施例2

参见图5和图6，本实施例2以某波导腔体组件为例。

参见图5和图7，波导壳体3与盖板1的接触焊接面形状复杂且宽度较大，首先考虑对厚度较大区域设计镂空区域32，从而减少焊接面积。焊接面宽度为盖板厚度的2倍，波导壳体3上过宽的地方做镂空处理，去除镂空区域32内的材料，使之满足焊接面宽度符合技术要求。参见图6，波导壳体3的顶面为焊接面，焊接面上设有阻焊坝31，阻焊坝31沿焊接面轮廓形成的封闭区域。

阻焊坝31的高度H_阻焊坝设置要避免焊片4熔化后造成焊接面焊料的不足，形成焊接空洞，阻焊坝的高度H_阻焊坝为焊料厚度δ的50%-70%，本实施例2中阻焊坝的高度H_阻焊坝设置为60%。

阻焊坝31的宽度W_阻焊坝应为焊接面宽度W的5%-15%；本实施例2中设置为10%，即阻焊坝31的宽度W_焊接面为0.2mm。

盖板1在焊接时与波导壳体3赋形性好，盖板1的厚度为1mm；盖板1的平面度要求≤0.3mm。

参见图6，盖板1与波导壳体3焊接装配时，为保证焊片熔化时盖板1位置不移动，在波导壳体3和盖板1上分别开设有对应配合的3个定位孔33，3个定位孔33位于由阻焊坝形成的封闭区域内，且每个定位孔内设有定位销5；为保证焊接时盖板1在厚度方向的自由运动，定位孔33与定位销钉5之间的配合间隙不小于0.02mm。

焊片4选用0.1mm厚的铟锡焊片（In52Sn48，熔点118℃）。焊片4的形状与由阻焊坝31形成的封闭区域形状保持一致。

本实施例2的实施步骤包括：

基于实施例2的波导腔体组件的焊接操作步骤如下：

（1）取波导壳体3和盖板1，对焊接面分别用无水乙醇进行擦拭清洁处理；将波导壳体3水平摆放，焊接面朝上，在阻焊坝31沿焊接面轮廓形成的封闭区域内均匀涂覆少量助焊剂，注意助焊剂不得涂到波导腔内；助焊剂为RMA型助焊剂。

（2）安装定位销钉5，擦拭焊片表面，将焊片4放入阻焊坝31沿焊接面轮廓形成的封闭区域内；在焊片4上均匀涂覆少量助焊剂，放置盖板1到焊片4上，通过定位销5使盖板1不得水平移动焊片4。

（3）将压块压装到盖板1上，采用塞尺对装配间隙进行检测，保证焊前盖板1与焊片4之间的装配间隙≤0.02mm；压块材料为黄铜，表面镀镍处理，压块的外形与盖板相同，厚度12mm。

（4）将装配好的波导腔体组件放入真空钎焊炉中，选择合适的炉温参数，焊接过程设置为四个阶段，预热区温度从室温升至90℃，升温时间约85s；保温区温度从90℃升至118℃，升温时间约30s；焊接区温度从118℃升至138℃左右，升温时间约15s；峰值区138℃保持30s。

（6）随炉冷却后，取出，去除压块，得到焊接完成的波导腔体组件。

通过X-ray检测设备进行观察，无焊料流淌至波导腔体内，阻焊坝31边界清晰，焊接面的焊料分布均匀无断开，相邻波导腔之间无贯通。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件，其特征在于：包括波导壳体和盖板；所述波导壳体的顶面为焊接面，焊接面上设有阻焊坝，所述阻焊坝沿焊接面轮廓形成封闭区域；所述阻焊坝的高度为焊料厚度的50%-70%，阻焊坝的宽度为焊接面宽度的5%-15%；

所述波导壳体和盖板上分别开设有对应配合的2-3个定位孔，所述2-3个定位孔位于由阻焊坝形成的封闭区域内，且每个定位孔内设有定位销；

焊接面的宽度为盖板厚度的1.5-2.5倍，波导壳体上设置镂空区域；使焊接面转换为由若干矩形条连接形成的规则的条形平面或不规则的条形平面；

真空钎焊焊接的焊片放置于由阻焊坝形成的封闭区域内，并盖上盖板，使波导壳体、焊片和盖板由定位销确定定位；所述盖板和焊片的装配间隙不大于0.02毫米；

真空钎焊焊接操作步骤如下：

（1）使用无水乙醇或异丙醇类溶剂将波导壳体的焊接面和盖板的焊接面擦拭清洁；

（2）将波导壳体的焊接面朝上，在阻焊坝形成的封闭区域内放置焊片，将定位销垂直安装到波导壳体的定位孔中；盖上盖板，使波导壳体、焊片和盖板由定位销确定定位；

（3）将压块压装到盖板上；用塞尺对波导组件装配间隙进行检测，保证焊接前所述盖板和焊片的装配间隙≤0.02mm；

（4）将装配好的波导壳体和盖板放入真空钎焊炉中，焊接峰值温度为焊料熔点以上20-25℃；

（5）随炉冷却至室温，去除压块工装，得到焊接完成的高频波导组件；通过X-ray设备进行检查，波导腔体内和壳体外侧无焊锡，阻焊坝边界清晰，相邻波导腔之间无贯通；

步骤（4）中，所述焊料为Sn63Pb37锡铅焊片时，焊接过程设置为四个阶段，预热区温度从室温升至150℃，升温时间约150s；保温区温度从150℃升至183℃，升温时间约35s；焊接区温度从183℃升至203℃左右，升温时间约15s；峰值区203℃保持30s；

步骤（4）中，所述焊料为In52Sn48铟锡焊片时，焊接过程设置为四个阶段，预热区温度从室温升至90℃，升温时间约85s；保温区温度从90℃升至118℃，升温时间约30s；焊接区温度从118℃升至138℃左右，升温时间约15s；峰值区138℃保持30s。

2.根据权利要求1所述的一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件，其特征在于：所述焊接面为由若干矩形条连接形成的规则的条形平面或不规则的条形平面，所述焊接面的平面度不大于0.02毫米。

3.根据权利要求1所述的一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件，其特征在于：所述盖板的厚度δ_盖板＜1mm时，零件平面度≤0.3mm；

所述盖板的厚度1mm≤δ_盖板≤2mm时，零件平面度≤0.15mm；

所述盖板的厚度2mm＜δ_盖板≤4mm时，零件平面度≤0.05mm。

4.根据权利要求1所述的一种具有抑制焊料漫流结构的高频波导组件，其特征在于：所述定位孔和定位销的配合间隙不小于0.02mm。

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