一种混合工艺型微波密封腔体的研制

2016-09-07郑冬侠

电子与封装 2016年5期

关键词：腔体绝缘子射频

王　辰，陈　侃，郑冬侠

（中国电子科技集团公司第40研究所，安徽蚌埠233010）

一种混合工艺型微波密封腔体的研制

王辰，陈侃，郑冬侠

（中国电子科技集团公司第40研究所，安徽蚌埠233010）

射频连接器在集成电路中的应用越来越广泛，射频连接器界面的复杂性决定了具有射频绝缘子的腔体的加工难度。介绍了一种兼具馈电绝缘子及射频绝缘子的微波密封腔体的研制。根据该产品结构特点和技术要求，抛弃了以往单一方法的制造工艺，结合了烧结与焊接的工艺特点，使用了混合工艺加工，解决了模具设计及工艺问题。经测试，该密封腔体中射频绝缘子电压驻波比（VSWR）小于1.2@40 GHz，插入损耗≤0.7 dB，泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s。

微波密封腔体；焊接；烧结；混合工艺

1　引言

随着我国空间及电子技术的发展，整机趋于整体化、小型化，集成电路也向整合化方向发展，射频连接器在集成电路中的使用愈加广泛，与之配套的腔体也向整合化方向发展。

以往研制的腔体结构均比较简单，其绝缘子种类单一，制作工艺也相对简单。该产品由于结构特殊，考虑性能及成本的因素，以往单一工艺无法满足要求，需采用混合型工艺，即使用烧结工艺与焊接工艺混合加工。该产品的研制拓宽了未来研发的思路，为探索生产气密封型腔体提供了经验。

2　产品主要技术指标

产品主要技术指标如下：

特性阻抗：50 Ω；

频率范围：0.01 GHz～40 GHz；

电压驻波比（VSWR）：小于1.2@40 GHz；

泄漏率：在标准大气压下，示踪气体泄漏率≤1× 10-3Pa·cm3/s；

射频插入损耗：≤0.7 dB；

绝缘电阻：不小于2000 MΩ。

3　基本结构

图1　所需微波密封腔体基本结构

该类产品从工艺上分为烧结式和焊接式，对应的从结构上分为一体式和分体式。一体式微波密封腔体采用烧结工艺一次加工；分体式微波密封腔体则是先烧结玻璃绝缘子，后焊接至壳体。

3.1分体式微波密封腔体结构特点

分体式结构一般用于绝缘子结构复杂的腔体。

分体式微波密封腔体是由玻璃绝缘子和腔体构成，先将玻璃绝缘子烧结成型，再通过焊接连接至腔体上，见图2。此种结构产品的特点是零件加工容易，SMP、SMA等绝缘子均可使用，但玻璃绝缘子与腔体焊接后相对于一体式结构一致性及密封性差。原因在于焊接时易出现空洞、气泡、开裂，而且焊料易堆积、溢出，影响绝缘子电性能，若溢出到玻璃表面会造成产品报废。

图2　分体式封接结构图

3.2一体式微波密封腔体结构特点

一体式结构与分体式相比，玻璃直接与腔体封接形成一体，生产流程简单，产品气密性好（见图3），适用于密封微波连接腔体。但通常外壳采用可伐合金，加工性能与不锈钢类似，产品尺寸越小，界面越复杂，加工难度越大。所以一体结构的模具加工与定位难度大。

由于用户选用的射频绝缘子为半擒纵式SMP，且腔体同时还有若干馈电绝缘子，若单纯采用分体式的焊接工艺势必会增加成本，加大了装配的难度。而单纯采用一体式的烧结工艺则由于机加工工艺的限制，无法保证半擒纵式SMP界面尺寸。玻璃的液相温度远高于焊片的液相温度，故先分别烧结射频绝缘子及与外壳腔体一体的馈电绝缘子，对烧结好的两种零件镀金处理，再将两种零件焊接成完整腔体。

图3　一体式封接结构图

图4　生产流程

4　设计

4.1材料选用

该产品同时具有馈电及射频两种绝缘子，其中射频绝缘子材料选用微波用玻璃，馈电绝缘子材料采用DM308玻璃粉，绝缘子引出线及腔体外壳均使用与玻璃膨胀系数相近的4J29可伐合金。

由于需要保证零件的密封性能，焊接部分选用适用于气密封焊接的金锡焊料，该焊料对镀金层的浸蚀程度低，具有高耐腐蚀性及良好的导热导电性。

4.2结构尺寸计算

射频部分用户选用SMP型射频同轴连接，界面为半擒纵，玻璃绝缘子的尺寸设计可以参照射频绝缘子尺寸的设计方法。

Z：特性阻抗；εr：相对介电常数；D：玻璃安装孔内径；d：引出线外径。

引出线外径d=0.38 mm，玻璃的相对介电常数εr=4，本腔体要求的特性阻抗Z为50 Ω，根据公式（1），取值D=φ2 mm。

验证截止频率。频率范围为：0.01 GHz～40 GHz，使用公式（2）计算：

fc：截止频率；C0：光速；εr：相对介电常数；D：玻璃安装孔内径；d：引出线外径。

带入D=φ2 mm，d=φ0.38 mm，计算得截止频率= 40.09 GHz＞40 GHz，满足设计要求。

界面尺寸则参考GJB5246-2004设计。安装孔尺寸则根据SMP绝缘子外壳尺寸及焊接需求适配，满足焊接的牢固性及气密封性。

5　零件及烧结模具加工

封装外壳通常选用可伐合金，可伐合金硬度大且粘度高，加工刀具易断裂，绝缘子焊接安装孔结构复杂、尺寸小，且安装孔内需预留0.4 mm深的焊片槽，所以加工难度大。为解决安装孔及焊片槽的加工问题，我们选用专用刀具进行加工，并将镗孔工艺细化，保证安装孔的尺寸。

烧结模具材料采用高纯石墨，具有成本低、易加工、高温下不易变形且与金属和玻璃不粘的特性。该腔体中射频绝缘子对同轴度要求高，石墨材料软，加工精度难控制，且加工小尺寸零件边角易崩，故选用较为致密的进口石墨材料，在加工零件时，控制车床及铣床的转速，避免小尺寸位置崩角。

6　玻璃烧结

本腔体烧结使用气体保护链式烧结炉，炉内充入氮气进行保护，防止零件氧化。

该产品在烧结过程中存在的难点及攻关：

（1）引出线的一致性。由于该密封腔体馈电绝缘子较多，装配过程中极易造成引出线的晃动，导致引出线偏心，绝缘电阻不合格。对此，我们减小了引出线与石墨模的配合间隙，并将引出线一端固定，防止引出线窜动。

（2）玻璃表面一致性。该产品馈电绝缘子和射频绝缘子的体积均较小，玻璃坯重量轻，加工时重量一致性控制难度大。为此，我们提高了玻璃坯制造模具的精度，解决了一致性差的问题，提高了成品率。

（3）射频绝缘子同轴度。在前期的射频绝缘子生产过程中我们发现产品电性能差，究其原因是模具设计不合理，产品同轴度差。对此我们改进了石墨模的设计，采用两端定位的方法，并加严了石墨模的同轴度，改进机加工工艺。经多次试验，产品电性能稳定，良品率大大提高。

7　表面处理

为保证可焊性，产品表面为镍底镀金，并采用双脉冲电镀的方法处理。双脉冲电镀波形为双向脉冲，镀层均匀、致密，保证了腔体封焊后的密封性和耐腐蚀性。

8　焊接

该产品焊料选用金锡焊料。焊片的选用与焊接面的平整度是相互关联的，若产品焊接面直接间隙小，则不需要很多的焊料即可浸润，该产品由于结构限制，焊接面之间留有一定的间隙，就需要采用较厚的焊片才能实现气密性封装，通过使用多款焊片试验，最终选用0.3 mm焊片焊接。

将焊片、腔体及射频绝缘子放在乙醇中超声波清洗5～6 min，取出用干燥的氮气吹干，去除零件表面污物。将焊片及射频绝缘子依次装入腔体外壳，为避免在焊片熔融状态下浮动，在射频绝缘子上放置适当的石墨压块，放置时应小心，以免污染焊片及焊接面。零件放入氮气保护链式炉中，经升温、保温、降温，完成焊接过程。产品在焊接前表面已镀金，为不影响金层，液相温度以上时间应控制在3 min～5 min。

图5　焊接温度曲线

9　试验及测试

该产品完成之后，我们按照该产品《详细规范》中的要求对各项技术指标进行了试验和验证。插入损耗按照GJB 976A-2009中4.5.14测试，10支样品均满足要求。绝缘电阻、盐雾试验及泄漏率分别按照GJB548A方法1003、方法1009A及方法1014A测试，经过测试，10支样品均可达到性能要求。

样品完成后，我们对其电压驻波比及插入损耗做了测试，测试曲线如图6，从曲线中可以看出，产品该项性能也符合要求。

图6　电压驻波比及插入损耗测试曲线

10　结论

该产品通过试验、测试、样品阶段，各项指标均符合用户要求，现阶段生产工艺稳定，已生产多个批次，合格率达到90%以上，目前已开发同类产品，保证了科研生产的稳定。

［1］姚立华.采用金锡合金的气密性封装工艺研究［J］.电子工艺技术，2010（9）:267-270.

［2］GJB5246-2004.射频连接器界面［S］.

［3］韩强.对玻璃与金属封装外壳气密性的认识［J］.电子与封装，2003（9）:49-52.

［4］胡树豪.实用射频技术［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［5］费思.金属与玻璃的封装［M］.北京:国防工业出版社，1961.

［6］孙婷婷.射频连接器中绝缘子设计方法的改进［J］.光纤与电缆及其应用技术，2004（6）:17-20.

The Development of a Hybrid-technique-manufactured Microwave Sealed Cavity

WANG Chen，CHEN Kan，ZHENG Dongxia
（China Electronics Technology Group Corporation No.40 Research Institute，Bengbu 233010，China）

The use of RF connector in integrated circuit is wide.However，the complexity of the interface of the RF connector determines the degree of difficulty of manufacturing the housing that contains RF insulators.In this article，the development of a microwave sealing housing that contains feeder insulators and RF insulators is introduced.Given the structure characteristics and technique requirements of this product，it discards the old unitary manufacturing processes，integrates the craft characteristics of sintering and soldering，uses hybrid manufacture techniques，and solves the issues regarding the moulding design and processing.Through testing，the results below regarding the RF insulators in this sealing housing are found，VSWR is less than 1.2@40 GHz，insertion loss is equal to or less than 0.7 dB，leakage rate is equal to or less than 1×10-3Pa·cm3/s.

microwave sealed cavity；sintering；soldering；hybrid manufacture techniques