声表面滤波器焊接工艺探讨

摘要

声表面滤波器是一种常见的高性能滤波器，被广泛应用于各种电子产品中。但装配工艺的不同会对其滤波能力及抗电磁干扰能力有较大的影响。寻找一种高效可靠的工艺方法显得尤为重要。通过专项工艺研究，最终确定以贴片回流焊接的形式使声表面滤波器与微带板进行紧密贴合，消除伴生电容，获得了良好的滤波效果及优秀的抗干扰能力。此项研究为声表面滤波器的装配工艺提供了解决方案，同时对高速PCB的抗电磁干扰设计亦具有一定的参考价值。

引言

随着现代雷达的发展，对模块的体积、轻量化提出了越来越高的要求。在模块设计时为了模块的小型化设计，设计人员经常选用声表面滤波器（SAWF）。声表面滤波器是利用电压电晶体材料的压电特性，利用输入与输出换能器将电波的输入信号转化为机械能经过处理后，再把机械能转化成电信号，最终过滤不必要的信号的杂散来提升接收信号的效率。主要功能在于把地杂波滤掉，与传统的LC滤波器相比声表面滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、尺寸小、质量轻、成本低和频率特性一致性好的特点，因此广泛应用于各种电子设备中。

声表面滤波器在安装时需要特别地注意电磁兼容的要求 。声表面滤波器的装配工艺直接影响着滤波器各项性能指标，在实际生产实践中，我们在发现频率较高的情况下，声表面滤波器的滤波效果并不理想，与理论值相差较大。为了声表面滤波器的电性能指标能够满足要求，我们对声表面滤波器的装配工艺做了探索性的优化试验。

1 声表面滤波器的应用及装配要求

声表面滤波器（简称SAW）主要作用原理是利用压电材料的压电特性，利用输入与输出换能器（Transducer）将电波的输入信号转化成机械能，经过处理后，再把机械能装换成电信号，以达到过滤不必要的信号，提升收讯品质的目的。声表面滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和质量轻等特点，并且可采用与集成电路相同的生产工艺，制造简单，成本低。与传统的LC滤波器相比，其安装更简单、体积更小。缺点为插损比LC谐振电路大。某型号声表面滤波器腹部引脚定义示意图如图1所示。图1　某型号声表面滤波器腹部引脚定义示意图

为防止射频（RF）泄漏，设计人员在布局印制板时制作了相互垂直的金属化通孔，减小PCB板间的电容耦合，如图2所示。为了将声表面滤波器良好的接地，满足电磁兼容的要求，滤波器在安装时需要与印制板紧密接触，同时与印制板接触表面不能涂阻焊膜。

图2　印制板示意图

在某新项目波形产生模块安装时就遇到了声表面滤波器安装效果不好的问题，在模块装配完后，设计人员反映，声表面滤波器电性能指标不够，杂散在-40～-50 dB，与厂家所给指标杂散低于-60 dB相差胜远。

在波形产生模块中，设计人员为了从100 MHz丰富的谐波中取出1 400 MHz，采用了3节声表面滤波器+放大的方法。设计框图如图3如示。

图3　取1 400 M 原理框图

100 MHz丰富的谐波如图4所示。要从如此丰富的谐波中取出1 400 MHz，要求滤波的带外抑制要好，不然所取出的1 400 MHz中就会有杂散，影响整个模块的电性能。

图4　100 M 谐波

我们可将信号比作流水，我们希望水流按照我们希望的路径流过，如图5所示，我们希望所有信号均按路径1通过，但由于装配工艺的原因可能使信号耦合从路径2通过，这会直接影响滤波效果。

图5　信号路径图

为了声表面滤波器的电性能指标能够满足要求。我们对声表面滤波器的安装工艺做了如下几种探索性的优化试验。

2 声表面滤波器装配工艺试验

2.1 传统工艺方法

将声表面滤波器贴紧直接安装在印制板上焊接。由于表面粗糙度因素，贴合面间隙是永远存在的，这个间隙容易产生分布电容，使得IN对OUT管脚在间隙处产生耦合干扰。声表面滤波器安装示意图如图6所示。

图6　声表面滤波器安装示意图

滤波器工作频率较低时，滤波器性能指标基本满足要求；滤波器工作频率较高时，由于贴合面间隙的耦合干扰，测试结果很不理想。以1 400 MHz点频声表面波滤波器为例，在所需频带1 168～1 600 MHz范围内，即图7中所标记的Marking点（ M 3～ M 2）频率范围内，滤波器的带外抑制在-50～-40 dB之间。

图7　传统杂散（功率选值0 dBm ）

2.2 改进型工艺方法1采用压片通过螺钉拉紧，来减小贴合面间隙，使得滤波器接地底座面紧贴PCB，并在滤波器外壳边缘点锡加焊，确保接地良好。压片结构滤波器安装示意图如图8所示。

图8　压片结构滤波器安装示意图2.3 改进型工艺方法2

在滤波器腹部贴一层铝箔纸，对贴合面间隙进行补偿，焊接时压紧确保接地良好，减小EMI的影响。滤波器贴铝箔安装示意图如图9所示。

图9　滤波器贴铝箔安装示意图

针对这两种改进后的工艺方法做了一些试验对比，测试结果较为相似。从滤波器性能指标来讲，基本满足设计使用要求，在 M 2～ M 3所需频带范围内，杂散在-50～-60 dB，滤波器的电性能有所提高，测试结果如图10所示。

图10　改进型杂散（功率选值0 dBm ）

通过对试验结果的分析得知，通过压紧声表面滤波器，减小声表面滤波器接地底座面与印制板间的贴合面间隙，增大接地效果，可以有效减小电磁干扰的影响。但是仍然不能满足设计杂散在-60 dB的要求，为了彻底消除贴合面间距的影响，我们采用回流焊工艺。

2.4 优化型工艺方法

在印制板上涂覆锡膏，通过回流焊将滤波器接地底座面与印制板可靠焊接，彻底消除了贴合面间隙，解决了由于贴合面间隙产生的电容耦合干扰。让每一个管脚都独自屏蔽分离，这符合EMC的分体共盖屏蔽结构形式。回流焊滤波器装配示意图如图11所示。

图11　回流焊滤波器装配示意图2.4.1 回流焊

回流焊又称“再流焊”（Reflow soldering）,它是通过加热，使器件与PCB间的锡膏受热融化而让表面贴装元器件和焊盘通过焊锡膏合金可靠地结合在一起的过程，是贴片生产中重要的工艺，它与产品组装的质量密切相关  。

回流焊按其热源不同可分为：远红外回流焊、全热风回流焊和红外热风回流焊。本文试验主要采用全热风回流焊。

2.4.2 温区

温度曲线是指表贴器件通过回流炉时，器件上某一点的温度随时间变化的曲线。在器件焊接过程中，一般包含预热区、恒温区、预熔解区、回流区和冷却区。回流焊温区图如图12所示。

图12　回流焊温区

1）预热区。如图12中的1区所示，此温区的升温速率及最高温度主要取决于焊膏溶剂的挥发温度及松香的最佳活性温度，缓慢升温减少大小元器件之间的温差，防止焊膏飞溅及元件的受热冲击，为后续的焊接做好准备，对减少PCB变形和元件内裂等有帮助。

2）恒温区。如图12中的2区所示，恒温区的主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定，尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。

3）预熔解区。如图12中的3区所示，介于恒温区和回流区之间，温度升高一般控制在1～2 ℃/s，时间10～20 s。此区域需严格控制升温速率，升温不易过慢或过快，过慢会引起助焊剂挥发过快，活性不够，易造成虚焊和短路等。过快会导致焊锡表面张力增大，造成立碑等不良现象。

4）回流区。如图12中的4区所示，主要焊接区。进入回流区焊膏快速熔解，并润湿焊盘，随着温度的提高，表面张力降低，焊膏爬升到元件脚的一定高度，形成焊点。

5）冷却区。如图12中的5区所示，在这一温区中，焊膏中的铅锡粉末已经熔化并充分润湿被连接表面，应用尽可能快的速度来进行冷却，有助于得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。

经过多次试验，我们最终选定的7温区回流焊炉Sn63/Pb37焊锡膏的优化温度曲线数据见表1。

表1　回流焊温度曲线数据2.4.3 印制板焊盘处理

在回流焊中，不仅对回流温度曲线有要求，在有良好的接地效果的同时还要避免器件短路，这对焊膏的用量以及印制板的焊盘提出了更高的要求。

标准的声表面滤波器底部有4根焊针，如图13所示。在初次试验回流焊接过程中，信号针多次与地短路。经过多次试验，发现在焊盘的设计阶段，要特别注意金属化孔和接地处的安全距离。在初始设计方案中，预留的安全距离较小，在焊接过程中焊锡非常容易形成桥接，造成短路。后经过改进，增大了安全距离，使得焊接一次性成功率大大提高。

图13　声表面滤波器

对其进行电性能指标测试，在 M 2～ M 3·所需频带范围内，杂散在-60 dB以下，极大地优化了滤波器的指标。如图14所示。

图14　优化型杂散（功率选值0 dBm ）

3 结束语

通过对声表面滤波器的装配方法不断地进行改进，测试装配后的电性能指标，可得出如下结论：

1）传统工艺方法操作简单，滤波器工作频率较低时，滤波器性能指标基本满足要求。

2）两种改进型工艺方法，都存在接触面间隙压紧的随机变量，安装操作的好坏起到决定因素。滤波器工作频率较高时，滤波器性能指标基本满足要求。采用压片螺钉拉紧形式，增加结构位置，不易于模块小型化。

3）优化型工艺方法，通过再流焊将滤波器接地面底座与印制板可靠焊接，彻底消除了接触面间隙压紧的随机变量，指标得到极大优化。滤波器性能不受人为因素影响。

针对声表面滤波器不同的应用环境，我们可以采用不同的装配工艺方案，若应用在频率较低的情况下，可采用压紧后手工焊接，并在金属壳体边缘与印制板之间点锡加焊的方式装配；而在应用环境频率较高的情况下，可采用回流焊接的装配工艺，将声表面滤波器的接地底座与PCB焊接，减小电磁干扰的影响，提高产品的电性能指标。（参考文献略）

作者：唐杰，金凯麟，王海波