摘 要：分析装配机械应力导致微带隔离器中铁氧体基片出现裂纹甚至断裂的失效机制，给出微带隔离器与其它电路单元连接的几种低应力接头结构，讨论微带隔离器中AgPd厚膜导体在焊接过程中出现熔蚀现象的原因和对策。
关键词：微带隔离器；装配应力；熔蚀
1 引 言
隔离器在微波电路中的设计功能是实现微波功率的单向传输。理想的隔离器对一个方向的微波功率完全吸收，对相反方向的微波功率则无损传输，通常使用的隔离器要求正向传输插入损耗小于1dB，反向衰减大于20dB。隔离器在微波电路中具有用于中间耦合、极间耦合、去耦保护发射源、减少频率牵引、去干扰、分离收发、清除不必要的辐射等电路功能，正确使用隔离器，可以有效地改善电路品质。
隔离器可以有多种构成方式。铁氧体隔离器利用了电磁波在有外加直流磁场的旋磁铁氧体材料中传输时极化平面发生旋转的法拉第旋转效应，经过适当设计，使正向传输时电磁波极化平面与接地电阻性插板垂直，因而衰减很小，反向传输时电磁波极化平面与接地性电阻插板平行，几乎完全被吸收。根据不同的能量传输方式，铁氧体隔离器可以采用波导、同轴、波导同轴转换、带线、微带等多种封装结构。微带隔离器以其体积小、重量轻的特点在模块化设计的微波组件中获得广泛应用。
微带隔离器获得体积小、重量轻的优越性是以封装结构简化为代价的，在装配、焊接、环境试验过程中都曾发生微带隔离器损坏现象，损坏模式包括铁氧体基片出现裂纹、基片横向断裂、导带焊区脱落等。基片横向出现裂纹甚至断裂会使接地通路断开，反向传输的微波功率无法通过接地通路被吸收，而完全传送到输入通道中，隔离器变成了单纯的导带。导带焊区银钯厚膜脱落则会直接导致输入或输出通道开路。有些器件上的微裂纹不易发现，在使用过程中会随环境应力的变化而扩展，就成为威胁产品可靠性的隐患。微带隔离器损坏与隔离器的封装结构特点、装配结构设计、装配工艺都有关系。
2 隔离器装配应力与铁氧体基片裂损的关系
隔离器装配有两项要求：一是隔离器的金属基座与组件安装槽形成良好的欧姆接触；二是隔离器不得受力变形而在其内部产生残余应力。微带隔离器的结构尺寸和装配空间如图1所示。
隔离器下支撑面是切削加工形成的，两臂的下表面不在同一加工平面上，因而两臂高度h1、h2在公差带内随机分布。隔离器安装槽是用数控机床加工的，槽底平面度较好，两侧上表面在一个加工平面上，两侧高度相等，可用一个H表征。装配时隔离器下支撑面与安装腔体的匹配关系可以有以下几种情况：
分析上述匹配关系，可知第一种情况是兼顾电讯和结构要求的理想状况；第二种情况中隔离器下底悬空接地稍差，而组件电讯调试实践显示，隔离器的下底略悬空不会导致组件电讯性能出现可察觉到的劣化；第三种情况中隔离器下底接地差，而且由于两臂不等高会产生装配应力；第四种情况，隔离器下底接地良好，但两翼悬空，装配应力较大。
按材料力学中的悬臂梁模型计算隔离器悬空而产生的装配应力：
隔离器基座是用LY12、LF21、LD31等牌号的铝合金材料制成，铁氧体基片是用固化后变硬的缩醛类胶粘剂粘接到隔离器基座上的，装配应力得不到缓释，迅速传递至铁氧体基片，这就是导致铁氧体基片横向断裂的应力源。
对上述分析可提出两项事实证据予以支持。首先是对隔离器和组件安装槽加工精度进行抽查。h1、h2、H的名义尺寸都是1．5mm，对h1、h2分别抽测三点，结果为：
h1＝｛1．4750mm，1．4785mm，1．4830mm｝
h2＝｛1．4865mm，1．4845mm，1．4840mm｝
H＝1．46mm
以上测量表明隔离器安装时存在两翼悬空的可能。
第二项证据得自于实际的装配工作。在组件研制初期，出于强调电讯接地，在隔离器的下底加垫厚度为0．10mm的锡箔，隔离器两臂悬空，期望螺钉的紧固力使隔离器下底与安装槽底面紧密接触。结果出现很多隔离器的铁氧体基片横向断裂的现象，仅一次集中更换的数量就达110只，损坏率超过50％。后改为隔离器下底和两臂加垫整体锡箔，隔离器仍时有损坏，最高的一次为100只隔离器中损坏了32只。调整装配工艺，在装配前试装，感觉隔离器在安装槽中配合良好，没有倾仄、摇动的现象，再进行装配，隔离器两臂下面多垫一层锡箔，隔离器损坏现象明显减少，其中一次统计为340只中损坏5只，损坏率小于1．5％。
要提高隔离器的装配合格率和可靠性，可以采取以下措施：
1）隔离器的安装槽可设计使得隔离器两臂受支撑力，下底略悬空；
2）隔离器两臂下表面在同一加工平面内进行加工；
3）装配前检查安装槽并试装，在隔离器两臂下面垫锡箔。
3 内导体连接结构
微波组件的不同腔体之间用隔墙内导体连接，微波组件与外部的连接用SMA插座的内导体。如果不是特意回避，总会出现内导体与隔离器的连接接头，一般的做法是内导体直接钎焊到隔离器的微带线焊区上，如图3所示，这样的接头经过环境试验后失效率很高，表现为常温下电路正常工作，但在高低温工作状态下电路出现故障，有时可能误判为隔离器上的焊点虚焊，在显微镜下仔细观察发现铁氧体基板上出现环绕内导体的裂纹，返修时可见内导体带下铁氧体基板断片。分析表明，在这种接头处既有装配应力，也有因热膨胀系数不同而产生的热失配应力。
俄罗斯尼达尔研究所对内导体接头采用另外一种结构，如图4所示，跨接线的环状部分套在内导体上钎焊，跨接线的带状部分搭在基板微带线焊区上钎焊，内导体不与基板接触，跨接线很薄，并保持松弛状态。文献中介绍过一种专利结构，如图5所示，首先在基板的微带线焊区端口用熔焊的方法垂直焊接一段金带（或镀金铜带），然后装配内导体，使内导体悬空以免基板受压，将金带（或镀金铜带）包到内导体表面，再用熔焊的方法将金带（或镀金铜带）焊到内导体上。
在设计上可以改变电路结构，避免隔离器与内导体直接连接，改为由韧性较好的高频介质板与内导体连接，这样可以保护易损器件，整体提高组件的可靠性。
4 隔离器与其他基片连接的跨接线结构
在电路中，隔离器要与邻接的微带线电路进行互连，以前采用与微带线等宽的厚度为0．05mm镀金或镀锡铈合金的铜带做跨接线，经环境试验后电路出现故障，观察发现隔离器的厚膜微带线在靠近跨接线处出现横向裂纹，有些跨接线下面的厚膜微带线完全脱落。
将跨接线做成弧线形可以吸收部分热失配应力，但0．05mm厚的铜带对隔离器的厚膜微带线而言刚性过大，无法起到吸收应力的作用，因此改用0．02mm～0．03mm厚的铜带。
5 隔离器的焊接工艺
微带铁氧体隔离器的微带线是用厚膜工艺制作的，导电金属为银钯合金。钯可以在烧固时促进银－钯的合金化，更好地润湿玻璃，增加对基板的附着力，抑制银向钎料中扩散，但钯的含量超过30％会产生较多氧化钯成分，降低焊料的润湿性。为确保焊料的润湿性，银与钯的比例为4～5：1，玻璃含量为10％～15％。
如果使用铅－锡系列焊料，银、钯同焊料中的锡发生扩散反应，阻碍玻璃相和银－钯结合，这就是热损坏现象。在厚膜材料中加入氧化铜或三氧化二铋等物质，有助于缓和热损坏，但不能完全预防。焊接时避免使用含锡的焊料有助于减少热损坏现象的发生。
锡向厚膜导体扩散引起的导体膨胀和金属间化合物形成所导致的体积变化被认为是剥离强度退化的主要因素。
对钎焊条件下钎焊金属向焊料的溶解情况研究结果显示，银、钯在焊料中的溶解度（wt％）分别为6％和0．5％，因此，使用在焊料中加入了1％～3％银的掺银焊料，也可以抑制钎焊时银钯厚膜的熔蚀。
6 结 论
微带隔离器的铁氧体基板出现裂纹或断裂通常都可以归因于不合理的装配应力，而银钯厚膜焊区熔蚀则是由于银与焊料中的锡互溶所致。把组装件中出现的器件损坏一律归因于操作工人的操作失误常常会掩盖事情的真相，如果做细致的观察和分析，就会发现，也许在结构设计、材料选择、前道加工中就已埋下祸因。
