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。

1 腔體設(shè)計、加工

腔體作為微波部件的封裝載體,對微波部件的電磁屏蔽、抗震動沖擊、內(nèi)部信號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。

微波部件常見問題分析與解決HFSS結(jié)果圖片1
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,腔體發(fā)生形變的概率和形變造成的損失也大大增加,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)作為一個很重要的問題從設(shè)計、加工、裝調(diào)等各個環(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原因造成:

1.1 材料

目前我國在材料科學(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產(chǎn)材料。例如我單位原來采用國產(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,對于某些對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

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)計時應(yīng)盡量減小腔體內(nèi)空腔的面積,必要時可以增加腔壁厚或加強(qiáng)筋,將內(nèi)腔分成若干個小的區(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)_。同時還可以運(yùn)用ProE、Ansys等軟件對腔體模型進(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)力時效處理方法。

微波部件常見問題分析與解決HFSS結(jié)果圖片2
微波部件常見問題分析與解決HFSS結(jié)果圖片3

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效處理工序而得到的不同的結(jié)果,如表2所示。

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(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。)

2 微帶片裝配

在頻率較高的微波部件中,微帶片的使用相當(dāng)廣泛,而對于這類微波部件,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)行高低溫存儲或溫度沖擊時,二者的絕對伸縮量量相差太大,此時就會在微帶片和腔體之間產(chǎn)生應(yīng)力,如果此應(yīng)力過大就會導(dǎo)致微帶片脫落或斷裂,如圖3所示。

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圖3 微帶片開裂脫落

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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。

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對于較大的微帶電路,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。

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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。

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圖5 彈性壓裝

3 波導(dǎo)結(jié)合面

理想的波導(dǎo)腔是一個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。而這樣又會引入一個新的問題: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。

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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,如果長時間暴露在空氣中,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,但這種方法對焊接工藝水平有較高要求,尤其是要解決焊接時各部分如何定位以及如何減小因焊接時的高溫導(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)實際生產(chǎn)驗證,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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