книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Рис. 7.17. Конструкция паяльника торцевого ти­ па для пайки СВЧ-соеди- нителя:

1 - нагревательный элемент;

2 - насадка; S - СВЧ-переход- иик; 4 ~ втулка; 5 - кольцо припоя; 6 - корпус ГИС СВЧ; 7 - держатель

перемещаться в вертикальном направлении вверх - вниз. По­ сле установки СВЧ-соединителя 3 во втулку 4 и его припайки с использованием припоя ПОС-61, собранный узел устанавли­ вается в корпус 6 ГИС СВЧ, размещается припой ПОСК-50-18 в виде шайбы 5. После опускания насадки 2 в нижнее поло­ жение происходит расплавление припоя. Пайка ведется с ис­ пользованием флюса ФКДТ. После выдержки 2-3 с паяльник отводится в верхнее положение, припой затвердевает, образуя вакуум-плотное соединение.

В процессе пайки СВЧ-соединителя необходимо исклю­ чить попадание флюса и затекание припоя внутрь соедини­ теля, в противном случае его электрические характеристики изменяются. Насадка имеет внутреннюю пружину, предот­ вращающую “залипание” втулки с корпусом; в ней также име­ ются отверстия, в которые выдавливаются излишки припоя.

Зависимость температуры на элементах СВЧ-соедините­ ля от температуры “жала” паяльника приведена на рис. 7.18. Здесь обозначена зона, ограниченная критическими темпе­

220 °С), при которой возможно обеспечить хорошее каче­ ство растекания припоя ПОС-61 и образование качественно­ го шва. Из графика следует, что для принятой конструкции

Рис. 7.18. Зависимость температуры i на элементах СВЧ-соединителя от темпера­ туры жала паяльника tn:

1 - на поверхности корпуса; 2 - внутри соеди­

нителя (припой ПОС-61; время пайки 10 с)

держателя и окружающей среды температура нагрева “жала” паяльника должна находиться в диапазоне 270 ... 290 °С.

Сохранение качества контакта цанга - проводник СВЧсоединителя при выбранных режимах его пайки характери­ зуется неизменностью величины электросопротивления этого элемента. Так, при нагреве СВЧ-соединителя до температу­ ры, не превышающей 230 °С, электросопротивление контакта цанга - проводник составляет 0,009... 0,01 Ом.

Сборка ГИС СВЧ состоит из следующих операций: уста­ новка и механическое закрепление плат с рамкой на несущем основании 4 (рис. 7.19, а) и установка его в корпус 6 или мон­ таж отдельных плат на вертикальные внутренние перегород­ ки 9 корпуса (рис. 7.19, б).

Монтаж коммутационных перемычек от внутреннего про­ водника СВЧ-соединителя к пленочным проводникам платы (рис. 7.20) и между платами (рис. 7.21) осуществляется спосо­ бом пайки с использованием микропаяльников; при монтаже используют припои и флюсы, рассмотренные в разделе 7.1.

Соединение внутреннего проводника СВЧ-соединителя с проводником микрополосковой платы может быть осуществле­ но с использованием перемычек различной формы. В качестве перемычек используют проволоку или фольгу.

л

6

Рис. 7.19. Последовательные этапы сборки многоплат- » ных ГИС СВЧ:

а - в алюминиевом корпусе: / - сборка платы на рамку; II - сборка платы с рамкой на общее основание; I I I - сборка в кор­

ка от внутреннего проводника СВЧ-соединителя к плате; 9 -

перегородка

Рис. 7.20. Конструкции соединительных элементов внутренний проводник СВЧ-соединителя - пленоч­ ный проводник:

а - в виде проволоки; б - в виде уголка из тонкой узкой лен­ ты; в - сложной конфигурации; 1 - СВЧ-соединитель; 2 - внутренний проводник; 3 - перемычка; 4 - плата

В процессе панки перемычки необходимо обеспечить: прочность контакта, исключить попадание инородных частиц (припоя, флюса) внутрь соединителя, в противном случае электрические характеристики, в частности величина КСВН, ухудшаются.

Используемая медная проволока диаметром 0 , 1 . . . 0 ,2 мм (см. рис. 7.20, а) присоединяется к СВЧ-соединителю и про­ воднику микрополосковой платы низкотемпературными при­ поями, например ПОСК-50-18. Для повышения механиче­ ской прочности проволоку в месте присоединения к внутрен­ нему проводнику СВЧ-соединителя механически закрепляют, обернув на один-два оборота, а затем припаивают. Прово­ лочные перемычки, конструкция которых рассмотрена выше, применяются для МЭИ СВЧ, работающего в диапазоне до

Рис. 7.21. Конструкции межплатных соединительных эле­ ментов:

цевой и обратной поверхностей платы с использованием проводников; 1 - плата; 2 и S - межплатные перемычки; 4 ~ проволока (или лента); 5 и 6 - металлизированные отверстия и торцы платы соответственно

0,4 . . . 0,6 ГГц. При повышении частоты электрические ха­ рактеристики МЭИ СВЧ ухудшаются.

Для МЭИ СВЧ, эксплуатируемых в более высоком диапа­ зоне частот (до 18 ГГц), применяют конструкции перемычек, изображенные на рис. 7.20, б и б. Наиболее распространен­ ной конструкцией является конструкция в виде “уголка” (см. рис. 7.20, б). В этом случае золотая перемычка присоединя­ ется к проводнику микрополосковой платы способом контакт­ ной сварки, а к внутреннему проводнику СВЧ-соединителя - способом пайки. Для этого варианта конструкции характе­

рен следующий недостаток: малая прочность соединения пе­ ремычки с торцем внутреннего проводника СВЧ-соединителя. Причинами этого являются малая площадь контакта (при диаметре проводника 0,6 мм площадь контакта составляет 0,27 мм2) и недостаточное сцепление гальванического покры­ тия с металлическим внутренним проводником; затруднен также визуальный контроль места пайки. Кроме того, при пайке перемычек к проводнику платы - этот способ широко применяется - возможно затекание припоя в место сгиба пе­ ремычки, в результате ее упругие свойства ухудшаются.

Для повышения надежности паяного соединения перемыч­ ки с центральным проводником СВЧ-соединителя и для воз­ можности визуального контроля паяного соединения следу­ ет использовать конструкцию соединения, приведенную на рис. 7.20, в. В этом случае перемычка имеет отверстие, в кото­ рое вводится центральный проводник СВЧ-соединителя. Пай­ ка осуществляется снаружи проводника. Преимущество это­ го варианта крепления перемычки - удобство проведения опе­ рации пайки и возможность контроля качества паяного шва; кроме того, увеличивается механическая прочность паяного соединения за счет увеличения общей площади контакта при­ поя с внутренним проводником СВЧ-соединителя и с материа­ лом плоской перемычки; при диаметре проводника 0,6 мм пло­ щадь контакта составляет примерно 1,7 мм2. Наличие демп­ фирующего элемента - изгиба - улучшает упругие свойства соединения.

Электрические соединения между микрополосковыми платами осуществляются с помощью ленточных перемычек 2 (см. рис. 7.21, а и б), которые устанавливают способом пай­ ки или сварки. Ширина перемычки должна быть на 0,1 мм меньше ширины проводника микрополосковой линии и для микрополосковых плат на керамике ВК 100-1 толщиной 0,5 мм составляет 0,4 ± 0,05 мм, а для толщины подложки 1 мм - 0,9 ± 0,05 мм. Перемычка имеет изгиб, который выполняет роль термокомпенсатора, предохраняющего ее или места при­ соединения перемычки к плате от разрушений при изменениях температуры.

Соединение обратных металлизированных поверхностей микрополосковых плат (см. рис. 7,21, в) производят также с помощью ленточных перемычек 5, ширина которых равна З ... 4 м м . Для соединения элементов, расположенных на лицевой поверхности платы с металлизированной обратной стороной, используют металлизированные отверстия в пла­ те или торцы платы (см. рис. 7.21, г) или перемычки (см. рис, 7.21, д).

7.3.Герметизация корпуса

ипроверка герметичности

Гер м ети зац и я представляет собой комплекс технологи­ ческих процессов, обеспечивающих эксплуатацию ГИС СВЧ

вусловиях изменяющейся во внешней среде влажности, зна­ копеременных тепловых режимов, повышенных и пониженных температур. Собственно герметизация - это процесс создания вакуум-плотного и механически прочного соединения между корпусом и крышкой. Основная цель герметизации - сохра­ нение внутри корпусов ГИС СВЧ параметров газовой среды (давления и состава) неизменными в течение срока их хране­

ния и эксплуатации.

Герметизация корпуса ГИС СВЧ должна удовлетворять следующим требованиям:

-обеспечивать создание шва, способного сохранять проч­ ностные характеристики и вакуумную плотность в процессе эксплуатации;

-исключать чрезмерный нагрев устройства в процессе герметизации, который может привести к перегреву полупро­ водниковых активных и пленочных элементов, мест паек и др.;

-исключать попадание внутрь корпуса газов, выделяю­ щихся в процессе припайки или приварки крышки;

-быть универсальной, т.е. обеспечивать выполнение про­ цесса герметизации для широкой номенклатуры типоразмеров устройств и модулей СВЧ;

-быть адаптивной к изменению свойства соединяемых металлов;

-предъявлять минимум требований к свариваемым мате­ риалам, подготовке поверхностей, применяемым покрытиям;

-иметь минимальную трудоемкость;

-иметь возможность механизации и автоматизации.

Кчислу процессов, обеспечивающих надлежащие требо­ вания к герметичным изделиям, относятся подготовка корпусированного изделия к герметизации, собственно сам процесс герметизации и оценка качества герметизации, т.е. проверка герметичности.

Выбор способа герметизации определяется рядом техни­ ко-экономических факторов, и в первую очередь материалом и конструкцией корпуса. Наибольшее применение в отечествен­ ной промышленности для герметизации устройств и модулей СВЧ получили следующие способы: пайка паяльником, пай­ ка с использованием инфракрасного нагрева, микроплазменная сварка и лазерная сварка; возможно применение также клеев и механического прижима с использованием деформи­ руемой прокладки.

Пайка с использованием паяльника применяется для по­ лучения герметичного шва, в основном в крупногабаритных корпусах из алюминиевых сплавов. Герметизация этим спосо­ бом достигается за счет заполнения жидким припоем полости между корпусом и крышкой. В эту полость предварительно укладывается резиновая прокладка для предотвращения про­ хода газов внутрь корпуса и проволока, которая облегчает раз­ герметизацию шва в случае необходимости проведения ремон­ та.

Герметизацию пайкой осуществляют с использованием мощного паяльника (200... 80 Вт) при обеспечении хорошего теплоотвода от места пайки за счет использования теплоот­ водящих элементов (рис. 7.22): трубки с проходящей холодной водой 4 Для охлаждения корпуса и массивных металлических радиаторов б для охлаждения СВЧ-соединителей 5.

Герметизация пайкой осуществляется с использовани­ ем припоя ПОС-61; скорость перемещения паяльника 25 ...

.. .35 см/мин.

Рис. 7.22. Корпус ГИС СВЧ, гермети­ зируемый способом панки;

1 - корпус; 2 - паяный шов; 3 - паяльник; 4 - водоохлаждаемые трубки; 5 - СВЧсоединитель; 6 - радиатор

Сократить трудоемкость процесса герметизации спосо­ бом пайки возможно за счет отказа от индивидуальной об­ работки с использованием паяльника и перехода к групповой пайке.

Инфракрасный (ИК) нагрев является источником тепла при групповой пайке корпусов. Корпуса под ИК-пайку из алю­ миниевых сплавов имеют нанесенное покрытие Хим№ - Си - Sn - Bi общей толщиной 18... 20 мкм. Места образования пая­ ного шва облуживаются припоем, например ПОИн-52; толщи­ на припоя 0 , 3 . . . 0,4 мм. Основания корпусов вместе с уста­ новленными на них крышками располагают на конвейерную ленту, проходящую через зону нагрева ИК-печи.

Повысить механическую прочность соединения корпуса и крышки можно, используя лазерную и микроплазменную сварки.

Лазерная сварка является универсальным способом полу­ чения вакуум-плотного и механически прочного соединения. Сварка лазерным лучом широко применяется для соединения

широкой номенклатуры изделий из стали, ковара, титана, а в последнее время - для создания корпусов устройств и модулей СВЧ. Для образования вакуум-плотного шва большую роль играет вид и толщина нанесенного на детали корпуса и крыш­ ки покрытия. Такие виды покрытий как X HMNÎ - Sn - Bi, XHMNÎ - Си - Sn - Bi, XHMNÎ - Си - Ag не позволяют получить качественный сварной шов из-за образования сложных “цепо­ чек” интерметаллических соединений. Наиболее подходящим покрытием корпусов из сплава АМг-2 под лазерную сварку является однослойное никелевое покрытие толщиной 12 мкм. Технология нанесения никелевого покрытия позволяет исполь­ зовать как химический, так и гальванический способы осажде­ ния.

При лазерной сварке алюминиевых корпусов с химиче­ ски осажденным никелевым покрытием появляются “горячие” трещины в сварном шве. Причиной этого является попада­ ние фосфора в сварной шов, содержание которого по массе составляет 10... 12%. Гальванически осажденное никелевое покрытие не имеет этого недостатка.

Вакуумная плотность и механическая прочность сварно­ го шва зависят от ряда факторов и, прежде всего, от глубины проплавления. На рис. 7.23 приведена зависимость глубины проплавления от энергии излучения. Как видно из графиков, глубина проплавления шва при использовании более мощной установки Квант-15 выше в 1,1 - 1,5 раза в зависимости от энергии излучения. По мере роста энергии излучения рост глубины проплавления шва замедляется, одновременно возни­ кает явление “выплеска” расплавленного металла, что резко сокращает объем сварных точек, снижает механическую проч­ ность и вакуум-плотность сварного шва.

Поэтому оптимальной энергией облучения для установки Квант-12 следует считать 6 ,5 ... 7,5 Дж.

Зависимость усилия разрыва сварного ш ва от энергии из­ лучения приведена на рис. 7.24 (эксперименты проводились на образцах из сплава АМг-2 с никелевым покрытием и без него). Как видно из приведенных графиков, механическая прочность сварных швов на образцах, имеющих никелевое покрытие, вы­ ше.