1  簡(jiǎn)述

多芯連接器是一種在電氣終端之間提供連接與分離功能的元件，軍事、航空航天領(lǐng)域等廣泛應(yīng)用的微波組件，數(shù)字電路部分經(jīng)常通過微矩形多芯連接器來實(shí)現(xiàn)與外部控制連接，用于微波電路的饋電與控制。多芯連接器是將多個(gè)插針按照一定的排列結(jié)構(gòu)通過玻璃燒結(jié)的方式與金屬外殼進(jìn)行集成，相對(duì)傳統(tǒng)絕緣子連接器來說，在單位面積內(nèi)可集成的插針數(shù)更多，因此具有互聯(lián)密度高和安裝體積小等特點(diǎn)。

多芯連接器有螺釘安裝式和焊接式兩種，其中焊接式多芯連接器可最大限度地提高輸入輸出端子的密度，同時(shí)焊接式多芯連接器可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品封裝盒體內(nèi)的氣密性，對(duì)于保證軍用產(chǎn)品的可靠性具有重要意義。然而在實(shí)際生產(chǎn)中，由于多芯連接器選型不當(dāng)以及焊接工藝等問題，其與盒體之間的氣密性難以得到有效保障，主要體現(xiàn)在：

1）焊接時(shí)不同材料之間熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，導(dǎo)致焊接后焊縫質(zhì)量不高，局部受殘余應(yīng)力而難以氣密；

2）多芯連接器焊接完成后微波組件需要進(jìn)行激光封焊封蓋，而后道激光封焊的熱影響區(qū)會(huì)導(dǎo)致前道電裝的多芯連接器焊縫處受熱應(yīng)力而開裂；

3）即便各個(gè)工序工藝參數(shù)合理，但部分微波組件由于其使用環(huán)境惡劣，高低溫沖擊、隨機(jī)振動(dòng)和機(jī)械沖擊等載荷不可避免，尤其是高低溫交變溫度載荷導(dǎo)致連接器焊縫處的焊料受周期性拉、壓應(yīng)力，隨著蠕變應(yīng)變的累積最終發(fā)生開裂。

圖1 焊縫開裂失效

本文針對(duì)第3）種情況下多芯連接器焊接后受交變溫度載荷時(shí)的焊環(huán)形變與受力狀態(tài)進(jìn)行建模仿真分析，旨在比較不同材料體系、不同連接器結(jié)構(gòu)下焊接工藝的可靠性。

2  產(chǎn)品及模型信息

2.1  連接器信息

對(duì)于有散熱要求的微波組件，其微波腔體通常采用鋁合金材料。本文以兩種不同的多芯連接器焊接腔體為例（均為25芯接頭），連接器信息如下：

1）A型多芯連接器，某國(guó)產(chǎn)型號(hào)產(chǎn)品，本身材料為KOVAR材料，通過Sn96.5Ag3.5焊料或Sn63Pb37焊料焊接在鋁合金腔體上，但做完溫度沖擊試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)氣密性不達(dá)標(biāo)，焊料有裂縫；

圖2 A型多芯連接器

2） B型多芯連接器，某國(guó)外型號(hào)產(chǎn)品，組合型連接器，是鋁殼體內(nèi)通過Sn96.5Ag3.5焊料焊接KOVAR內(nèi)連接器，而鋁殼體外部則通過Sn63Pb37焊料焊接在鋁合金腔體上，需要驗(yàn)證這種方法是否在溫沖后可以達(dá)到氣密。

圖3 B型多芯連接器

2.2  仿真模型信息

兩種不同的多芯連接器焊接到腔體的模型如下，為了提高計(jì)算效率，并未考慮整個(gè)腔體結(jié)構(gòu)和其它電路板（筆者私下做過對(duì)比，采用整個(gè)腔體的模型其計(jì)算結(jié)果和本文相差可忽略，故對(duì)模型做了部分切割）。

圖4 A型多芯連接器模型

 

圖5 B型多芯連接器模型

 （1）假設(shè)焊料是均布的，忽略空洞、氣泡的影響，對(duì)于Sn63Pb37、Sn96.5Ag3.5焊料，分別采用統(tǒng)一粘塑性Anand本構(gòu)方程，其它材料為線彈性材料，考慮雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化效應(yīng)；

圖6 Sn63Pb37焊料Anand參數(shù)

圖7 Sn96.5Ag3.5焊料Anand參數(shù)

 

圖8 鋁合金材料雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型

圖9 可伐合金材料雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型

（2）在瞬態(tài)結(jié)構(gòu)仿真中施加交變溫度載荷，這樣的加載方式忽略了傳熱、對(duì)流等因素，即每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上部件均為均勻溫度（若考慮實(shí)際傳熱，則需做瞬態(tài)熱仿真-結(jié)構(gòu)仿真進(jìn)行耦合，本文暫不考慮）；

圖10 溫度沖擊曲線

（3）分析時(shí)取模型兩側(cè)的棱邊進(jìn)行線固定約束，分析過程開啟大變形（主要考慮到合金的塑性變形）；

（4）網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)注意，焊料部分由于呈環(huán)狀且厚度較薄，采用掃掠網(wǎng)格（Sweep）劃分，其它區(qū)域采用多域網(wǎng)格（Multi-zone），注意檢查網(wǎng)格質(zhì)量，控制單元長(zhǎng)寬比。

3  仿真結(jié)果分析

主要觀察彈性/塑性應(yīng)變、等效應(yīng)力及剪切應(yīng)力。

3.1  A型多芯連接器

對(duì)于A型結(jié)構(gòu)，多芯連接器與腔體結(jié)構(gòu)件的配合間隙為0.05mm，即焊料厚度為0.05mm。為了便于與后續(xù)結(jié)果對(duì)比，此處提取第三個(gè)溫度循環(huán)處的應(yīng)變、受力最大值。

3.1.1  Sn63Pb37焊接

圖11 A型結(jié)構(gòu)下焊料彈性應(yīng)變

圖12 A型結(jié)構(gòu)下焊料等效應(yīng)力

圖13 A型結(jié)構(gòu)下焊料塑性應(yīng)變

圖14 A型結(jié)構(gòu)下焊料最大剪切應(yīng)力

本文同樣做了Sn96.5Ag3.5焊料焊接后的溫度循環(huán)受力分析，為了驗(yàn)證焊料不同厚度下的焊接受力狀況，本文在保持其它條件不變的情況下，增大了多芯連接器與腔體處的配合間隙，將焊料厚度增加到0.25mm（該厚度視實(shí)際工程應(yīng)用而定，亦可為其它值），仿真結(jié)果云圖不再列出，最終的仿真數(shù)據(jù)見3.1.2中列表。

3.1.2  列表對(duì)比

3.1部分主要針對(duì)A型多芯連接器焊接后溫沖過程進(jìn)行仿真結(jié)果分析，分析時(shí)考慮了Sn63Pb37焊料、Sn96.5Ag3.5焊料兩種焊接材料在0.05mm、0.25mm不同厚度焊接工藝情況下焊環(huán)部位的形變和受力狀況，結(jié)果對(duì)比如表1.

表1 A型多芯連接器不同焊料、不同厚度下仿真結(jié)果對(duì)比

焊料成分	焊料厚度mm	彈性應(yīng)變mm/mm	等效應(yīng)力MPa	塑性應(yīng)變mm/mm	最大剪切應(yīng)力MPa
Sn63Pb37	0.05	0.0017093	81.732	0.1478	47.049
0.25	0.001508	70.719	0.057927	39.815
Sn96.5Ag3.5	0.05	0.0013476	73.257	0.11694	42.226
0.25	0.0012327	65.658	0.059603	37.295

 由此可見，對(duì)于A型多芯連接器，采用Sn96.5Ag3.5焊料時(shí)，焊環(huán)的受力、應(yīng)變狀態(tài)要優(yōu)于Sn63Pb37焊料，且在同種焊料焊接后的溫度循環(huán)仿真結(jié)果表明，較厚（0.25mm）的焊料量可以有效緩解焊環(huán)處的應(yīng)力及應(yīng)變。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)注意設(shè)計(jì)時(shí)多芯連接器與腔體間安裝時(shí)的配合間隙足夠，以保證焊接強(qiáng)度和可靠性。

3.2  B型多芯連接器

對(duì)于B型結(jié)構(gòu)，多芯連接器采用組合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部連接器芯與鋁殼體之間采用Sn96.5Ag3.5焊料焊接（商業(yè)購買到的連接器已經(jīng)完成此道焊接），而鋁殼體后續(xù)將采用Sn63Pb37焊料焊接至鋁合金腔體。仿真后提取第三個(gè)溫度循環(huán)處應(yīng)變、受力最大值進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1  Sn63Pb37焊料

對(duì)于外部鋁殼體焊接到鋁合金腔體部分焊料分析結(jié)果如下：

圖15 B型結(jié)構(gòu)下Sn63Pb37焊料彈性應(yīng)變

圖16 B型結(jié)構(gòu)下Sn63Pb37焊料等效應(yīng)力

圖17 B型結(jié)構(gòu)下Sn63Pb37焊料塑性應(yīng)變

圖18 B型結(jié)構(gòu)下Sn63Pb37焊料最大剪切應(yīng)力

3.2.2  Sn96.5Ag3.5焊料

對(duì)于內(nèi)部可伐合金內(nèi)芯與鋁殼體焊接部分焊料分析結(jié)果如下：

圖19 B型結(jié)構(gòu)下Sn96.5Ag3.5焊料彈性應(yīng)變

圖20 B型結(jié)構(gòu)下Sn96.5Ag3.5焊料等效應(yīng)力

圖21 B型結(jié)構(gòu)下Sn96.5Ag3.5焊料塑性應(yīng)變

圖22 B型結(jié)構(gòu)下Sn96.5Ag3.5焊料最大剪切應(yīng)力

3.2.3  列表對(duì)比

3.2部分針對(duì)組合型的B型多芯連接器與腔體焊接后的溫沖過程進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果同時(shí)考慮內(nèi)圈焊料（Sn96.5Ag3.5）和外圈焊料（Sn63Pb37）在相同溫度載荷下的形變和受力狀況，結(jié)果如表2.

表2 B型多芯連接器不同焊料處仿真結(jié)果

焊料成分	彈性應(yīng)變mm/mm	等效應(yīng)力MPa	塑性應(yīng)變mm/mm	最大剪切應(yīng)力MPa
Sn63Pb37	0.0012916	61.849	0.02262	35.709
Sn96.5Ag3.5	0.001243	67.427	0.12765	38.873

4  結(jié)論

兩種不同多芯連接器結(jié)構(gòu)焊接后在經(jīng)歷三次溫度循環(huán)后的仿真結(jié)果比較（A型多芯連接器 & B型多芯連接器）如表3：

表3 A型多芯連接器與B型多芯連接器仿真結(jié)果對(duì)比

A型連接器	焊料厚度mm	彈性應(yīng)變mm/mm	等效應(yīng)力MPa	塑性應(yīng)變mm/mm	最大剪切應(yīng)力MPa
Sn63Pb37	0.05	0.0017093	81.732	0.1478	47.049
0.25	0.001508	70.719	0.057927	39.815
Sn96.5Ag3.5	0.05	0.0013476	73.257	0.11694	42.226
0.25	0.0012327	65.658	0.059603	37.295
B型連接器	焊料厚度mm	彈性應(yīng)變mm/mm	等效應(yīng)力MPa	塑性應(yīng)變mm/mm	最大剪切應(yīng)力MPa
Sn63Pb37	0.25	0.0012916	61.849	0.02262	35.709
Sn96.5Ag3.5	0.25	0.001243	67.427	0.12765	38.873

通過對(duì)比可得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于A型連接器，采用Sn96.5Ag3.5焊料時(shí)，焊環(huán)的受力、應(yīng)變狀態(tài)要略優(yōu)于Sn63Pb37焊料，這與Sn96.5Ag3.5焊料本身的材料屬性也有關(guān)系；

2）在同種材料下焊環(huán)較厚時(shí)，焊料應(yīng)變和受力均得到緩解，合金焊料主要發(fā)生塑性應(yīng)變，彈性應(yīng)變部分幾乎可忽略；

3）采用B型多芯連接器，中間的Sn96.5Ag3.5焊料的受力相比直接用Sn96.5Ag3.5焊接A型多芯連接器要偏大，但偏差不多；但由此帶來B型多芯連接器外圍錫鉛焊料的受力相比直接用錫鉛焊接A型多芯連接器要降低4~9MPa，塑性應(yīng)變由A型結(jié)構(gòu)的0.057927降低為0.02262，可以理解為B型多芯連接器中的Sn96.5Ag3.5焊料起到吸收變形、緩沖應(yīng)力的作用。

來源： CAE初行者 

作者Outstanding one