微波部件常見問題分析與解決

2016-12-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電子產(chǎn)品內(nèi)部器件的工作頻率不斷提高,微波部件在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來越多,而在微波部件零件加工和部件裝配過程中會(huì)經(jīng)常遇到以下一些問題,嚴(yán)重影響微波部件的性能指標(biāo)或者功能,降低了使用這些部件的電子產(chǎn)品等的穩(wěn)定性及使用壽命。

腔體作為微波部件的封裝載體,對(duì)微波部件的電磁屏蔽、抗震動(dòng)沖擊、內(nèi)部信號(hào)的傳輸和處理等諸多方面都有著重要的影響,微波部件中很多器件都是直接固定在腔體的內(nèi)表面上,如圖1所示。

圖1 腔體組件

隨著微波部件的內(nèi)部集成度越來越高,腔體體積越做越小,腔體內(nèi)部空間被盡可能充分利用的同時(shí),腔體發(fā)生形變的概率和形變?cè)斐傻膿p失也大大增加,若在微波部件零件加工或部件裝配過程中腔體經(jīng)常發(fā)生形變,就會(huì)導(dǎo)致零件不能使用或內(nèi)部電路受損,輕則引起部件性能變差,重則內(nèi)部器件損毀,部件完全失效。因此,腔體的形變應(yīng)作為一個(gè)很重要的問題從設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)等各個(gè)環(huán)節(jié)給予充分考量。而腔體之所以變形彎曲或扭曲主要由以下幾個(gè)原因造成:

1.1 材料

目前我國(guó)在材料科學(xué)方面的研發(fā),材料的生產(chǎn)加工等方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有不小的差距,尤其是在有色金屬合金材料方面的差距更為明顯,研發(fā)水平的滯后和落后的工藝設(shè)備導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)材料在微觀組織均勻性、機(jī)械強(qiáng)度、可加工性以及耐腐蝕性等方面都遜色于進(jìn)口材料。一般在同樣的加工環(huán)境下,進(jìn)口材料的形變量要小于國(guó)產(chǎn)材料。例如我單位原來采用國(guó)產(chǎn)防銹鋁板來加工某微波部件腔體,經(jīng)常遇到腔體變形不能使用,而更換進(jìn)口鋁板后,在加工設(shè)備、刀具以及切削參數(shù)均不改變的情況下,腔體形變量大大減小,且零件的表面質(zhì)量也改善不少,提高了零件和部件的合格率。因此,對(duì)于某些對(duì)腔體形變比較敏感的微波部件,可選用進(jìn)口材料。

1.2 腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腔體尺寸越大,壁厚越薄的腔體越容易變形,這一點(diǎn)比較好理解。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小腔體內(nèi)空腔的面積,必要時(shí)可以增加腔壁厚或加強(qiáng)筋,將內(nèi)腔分成若干個(gè)小的區(qū)域,既增增加腔體強(qiáng)度,減小形變,又能防止電路之間的相互串?dāng)_。同時(shí)還可以運(yùn)用ProE、Ansys等軟件對(duì)腔體模型進(jìn)行熱學(xué)和力學(xué)方面的仿真分析,優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu),盡量減少腔體的形變量。

1.3 加工工藝

加工工藝的安排是否合理對(duì)腔體的最終合格成型有著相當(dāng)大的影響。加工工藝既包括機(jī)加工設(shè)備、刀具、冷卻方式以及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量,粗加工和精加工的余量等工藝參數(shù)的選擇,又包括合理和必要的工序安排,如對(duì)于有些易產(chǎn)生變形的腔體可在粗加工去除大部分切削余量后,插入時(shí)效處理工藝流程,以消除粗加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力,然后再進(jìn)行精密加工,減小腔體的形變量。表1是腔體常用材料的去應(yīng)力時(shí)效處理方法。

圖2 傳輸線腔體

圖2所示的零件根據(jù)加工過程中是否加入時(shí)效處理工序而得到的不同的結(jié)果,如表2所示。

(零件外形尺寸為100mmX20mmX20mm,材料為鉛黃銅,加工過程除有無加入熱處理工序有別外,其余加工環(huán)境均相同。)

在頻率較高的微波部件中,微帶片的使用相當(dāng)廣泛,而對(duì)于這類微波部件,微帶片脫落或開裂是最常見的問題,微帶片的脫落和斷裂通常是由以下幾種原因造成的:

1)腔體變形發(fā)生彎曲或扭曲。

2)腔體所用基材與微帶片基片所用材料的熱膨脹系數(shù)不一致。

制作微帶片常用材料有陶瓷片,寶石片以及微波復(fù)合介質(zhì)板等,這些材料的熱膨脹系數(shù)與其裝入的腔體的熱膨脹系數(shù)不一致,甚至相差很大,表3給出了一些常用材料的熱膨脹系數(shù).這樣在遇到部件進(jìn)行高低溫存儲(chǔ)或溫度沖擊時(shí),二者的絕對(duì)伸縮量量相差太大,此時(shí)就會(huì)在微帶片和腔體之間產(chǎn)生應(yīng)力,如果此應(yīng)力過大就會(huì)導(dǎo)致微帶片脫落或斷裂,如圖3所示。

圖3 微帶片開裂脫落

要避免出現(xiàn)這種問題,可采用以下幾種方法:

a. 在腔體和微帶片之間增加與微帶片熱膨脹系數(shù)相近的金屬材料(如可伐合金)制成的墊板作為過渡層,以緩沖熱脹產(chǎn)生的應(yīng)力,如圖4所示。

b. 微帶片尺寸應(yīng)盡可能的小,微帶片越大,溫差產(chǎn)生的絕對(duì)熱脹量越大,微帶片也就也容易脫離或斷裂,因此,微帶片的外形尺寸應(yīng)盡可能的小,表4列出了幾種 不同厚度的微帶片的建議最大外形尺寸,供參考。

對(duì)于較大的微帶電路,在不影響性能指標(biāo)的前提下可采用多個(gè)微帶片拼接,或采用柔性較好的材料,如微波復(fù)合介質(zhì)板作為制作微帶片的基材,既避免片子脫落或碎裂,又降低裝配難度,提高生產(chǎn)效率。

圖4 加裝墊板

c. 采用彈性壓片壓緊微帶片來進(jìn)行固定,如圖5所示。

圖5 彈性壓裝

理想的波導(dǎo)腔是一個(gè)完全封閉的金屬空腔,但由于加工工藝的限制或部件裝配的需要,有些波導(dǎo)腔結(jié)構(gòu)需分成兩部分,然后再用螺釘組合裝配在一起。而這樣又會(huì)引入一個(gè)新的問題:由于加工誤差和結(jié)構(gòu)件的形變,兩部分組合后,其結(jié)合面不能很好的接觸,導(dǎo)致波導(dǎo)的電性能變差,不能滿足指標(biāo)要求。

要改善結(jié)合面的電接觸性能,可采用下面幾種方式。

1) 適當(dāng)減小結(jié)合面的面積

從加工的角度講,面越大,平面度越難保證,因此為保證結(jié)合面更好的接觸,可適當(dāng)減小結(jié)合面的接觸面積, 如圖6所示。這樣,在螺釘施加同樣的預(yù)緊力下,結(jié)合面單位面積上承受的力更大,能有效的減小兩結(jié)合面的接觸電阻。

圖6 波導(dǎo)腔組合

2) 在兩結(jié)合面之間加入柔性導(dǎo)電材料

在兩結(jié)合面之間涂導(dǎo)電膠或焊錫膏,或者夾入軟金屬,如銦、金箔或紫銅箔等柔性導(dǎo)電材料,能有效的填充結(jié)合面之間的空隙,以減小接觸電阻,從而提高波導(dǎo)傳輸腔的電性能。

3) 波導(dǎo)傳輸腔表面鍍涂處理

波導(dǎo)傳輸腔的材料多為銅合金或者鋁合金表面鍍金,對(duì)于性能要求比較高的波導(dǎo),其導(dǎo)電性能不特別理想,波導(dǎo)腔表面鍍金或銀能有效改善其導(dǎo)電性,尤其是表面鍍銀,能大幅減小信號(hào)在波導(dǎo)中傳輸?shù)膿p耗。但需要注意的是鍍銀表面耐蝕性較差,如果長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中,就容易氧化,變色發(fā)黃。

4) 采用焊接方式連接

采用焊接方式將法蘭盤與波導(dǎo)管,或者是分開加工的波導(dǎo)腔組合在一起,也能改善結(jié)合面的電接觸性能,但這種方法對(duì)焊接工藝水平有較高要求,尤其是要解決焊接時(shí)各部分如何定位以及如何減小因焊接時(shí)的高溫導(dǎo)致的變形等問題。

本文討論了微波部件的零件加工和部件裝配調(diào)試中常見的一些問題,并給出解決方法,經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證,這些方法能有效提高微波組件的性能指標(biāo)及可靠性,從而提高電子產(chǎn)品的整體指標(biāo)和穩(wěn)定性。

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