CN110548947A - 一种冷板组件的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷板组件的焊接方法，该冷板组件包括冷板基体、冷板盖体、热弯管和导热指，该焊接方法包括以下步骤：1)镀镍：在冷板基体的第一凹槽内、冷板盖体的第二凹槽内、热弯管的中间部位、热弯管的每一端、每个导热指分别镀上一层镍层；2)涂锡：在步骤1)中的每个所述镍层上分别涂上一层焊锡膏；3)装配：将热弯管嵌装到冷板基体的第一凹槽内和冷板盖体的第二凹槽内，将热弯管的两端分别嵌装到一导热指内，从而形成冷板装配体；4)加热：将步骤3)的冷板装配体放入回流焊炉内进行回流焊。本发明通过对冷板组件进行镀镍和涂锡表面处理，使其上的金属件可以采用低温的锡铅焊料进行焊接，保证其导热性能及焊接质量。

Description

一种冷板组件的焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，更具体地，涉及一种冷板组件的焊接方法。

背景技术

参照图1a、图1b,冷板组件是热控模块中一个重要零部件，冷板组件的冷板基体和冷板盖体内嵌热弯管，热弯管连接TR模块背部及导热指，冷板基体与热弯管、热弯管与导热指必须完全无缝可靠连接，有效地较少接触热阻，保证良好的传热效果。冷板组件对焊接质量及结构尺寸精度要求较高。

目前冷板组件焊接面临的问题：

1)因为冷板组件整体呈三维空间结构，尺寸精度要求高，冷板焊后需保证其线性尺寸公差、角度和厚度，对焊接装配和焊接变形的控制要求较高。

2)因为冷板组件的关键件热弯管材质特殊，热弯管表面是壁厚仅0.8mm厚的铜，铜管内部的相变材料耐温不能超过220℃，而冷板基体材质为铝。铝和铜之间若采用常规焊接，熔点至少600℃，远超过热弯管承受范围。

而目前市面上常用的冷板焊接主要有真空钎焊。

真空钎焊是在真空密封炉中，进行抽真空后在真空环境下辐射加热，通过低于母材熔点的焊料融化把不同的母材连接在一起的焊接方式。

真空钎焊接时对炉内真空度、温度曲线的精确度和炉内有效加热范围内的灵敏度要求高，对零件的机械加工精度要求高，一般只进行同种材料的金属的焊接。真空炉中钎焊是用辐射的方式将热量传到零件上，加热时间较长，一般焊接程序是预抽真空、加热、抽真空，保温，降温等，焊接时间长一般为4～6个小时，生产成本高。

真空钎焊时为保证真空度，不能焊接易挥发物质，否则加热时易挥发物质会污染炉内加热元件，积累到一定程度导致炉内真空度差，加热元件需更换，否则不能保证焊接时焊料的有效熔化和完全铺殿。

因此真空钎焊方法存在加工成本高、生产周期长的特点，不适合本公司产品铝-铜冷板组件的焊接成形。必须采用一种高效、质量可控、低成本的焊接方法来保证冷板组件的成形。

3)若采用熔点为183℃的锡铅焊接，首先铝件无法进行锡铅焊接，其次因为铝件和铜管表面易氧化，而一旦出现氧化层则无法进行焊接。

4)因为锡铅焊接需要使用焊剂增加润湿性，但是如图1所示，热弯管同基板和导热脂之间均为密封空间，若采用常规锡铅焊锡膏，焊接过程中焊剂挥发却无法排出，势必导致大量的焊接空洞，使热弯管接触不良，最终影响散热。

5)因为是采用锡铅焊料回流焊接纯金属结构件，其焊接曲线的设计完全不同于普通电路板的焊接，且焊接后的产品尺寸和表观质量要求很高，采用何种焊接方式保证产品的质量可靠性是个难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种冷板组件的焊接方法，其通过对冷板组件进行镀镍和涂锡表面处理，使其上的金属件可以采用低温的锡铅焊料进行焊接，保证其导热性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种冷板组件的焊接方法，该冷板组件包括冷板基体、冷板盖体、热弯管和导热指，该热弯管的最高耐热温度不超过220℃并且该热弯管包括铝内管、装在该铝内管内部的相变材料及覆在该铝内管外侧的铜外管，该热弯管的每一端分别嵌装在一所述导热弯管内，此外，该冷板基体的一侧设置有用于嵌装该热弯管的第一凹槽，该冷板盖体用于盖合到该冷板基体上，并且该冷板盖体在对应于第一凹槽的位置设置有用于嵌装该热弯管的第二凹槽，每个导热指均外露于该冷板基体，其特征在于，该焊接方法包括以下步骤：

1)镀镍：在冷板基体的第一凹槽内、冷板盖体的第二凹槽内、热弯管用于嵌入到第一凹槽和第二凹槽的部位的外表面、热弯管的每一端用于嵌入到导热指的部位、每个导热指用于与热弯管接触的部位分别镀上一层镍层；

2)涂锡：在步骤1)中的每个所述镍层上分别涂上一层焊锡膏；

3)装配：将热弯管嵌装到冷板基体的第一凹槽内和冷板盖体的第二凹槽内，将冷板基体和冷板盖体连接在一起，然后将热弯管的每端分别嵌装到一导热指内，从而形成冷板装配体；

4)加热：将步骤3)的冷板装配体放入回流焊炉内进行回流焊。

优选地，步骤1)中各个位置分别镀上的镍层的厚度为5μm±2μm。

优选地，步骤2)中所述焊锡膏的焊剂的质量百分比为8.5％±1％，Sn的质量百分比为55.75％～57.01％，Pb的质量百分比为32.75％～33.49％，C₁₉H₂₉COOH的质量百分比为4％～6％，C₁₀H₂₀O₃的质量百分比为1％～4％，C₄H₆O₄的质量百分比为0.1％～0.3％，C₇H₇N₃的质量百分比为0.05％～0.06％，并且上述各组分的质量百分比之和为100％。

优选地，步骤2)中每个所述镍层上涂的焊锡膏的厚度不超过2mm，第一凹槽上的焊锡膏的长度比第一凹槽的两端各短0.5mm～1mm，第二凹槽上的焊锡膏的长度比第二凹槽的两端各短0.5mm～1mm。

优选地，步骤4)中，冷板装配体先安装在焊接工装内，然后再放入回流焊炉内，所述焊接工装包括底座、支柱和盖板，所述底座上设置有用于容纳该冷板装配体的第三凹槽，该支柱可拆卸安装在该底座上，以用于对放入该第三凹槽内的冷板装配体进行初步限位，该盖板盖合在该底座上并与该底座可拆卸连接，以用于对放入该第三凹槽内的冷板装配体进行固定，此外，所述底座和盖板上均分布有便于冷板装配体在回流焊炉内进行对流换热的导热通孔。

优选地，冷板装配体在焊接工装上安装完成后，采用高度尺从导热通孔处伸入到冷板盖体的外表面进行测量，以及采用塞尺在盖板与底座的间隙处测量，以保证热弯管的安装精度在预定范围内。

优选地，采用高度尺的测量尺寸及塞尺的测量尺寸与设定尺寸的差值在±0.05mm以内。

优选地，所述底座在对应于导热指的位置设置有多个刻度，以让各种规格的冷板组件的导热指进行对齐。

优选地，步骤4)中回流焊炉内的温度控制如下：

1)从室温经过120s～130s升温至120℃；

2)从120℃经过75s～80s升温至180℃；

3)从180℃经过150s～160s升温至峰值温度205℃～206℃；

4)从峰值温度经过180s～190s冷却至室温。

优选地，步骤4)中对冷板基体和冷板盖体上的螺钉孔采用硅橡胶进行封堵后再放入回流焊炉内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明根据热弯管的最高耐热温度不超过220℃的情况和冷板基体及冷板盖体、导热指等安装结构件的情况，对它们进行表面处理镀镍，既防止了铝基板和铜热弯管的表面氧化，还解决了铝基板无法进行锡铅焊接的难题，在涂上一层焊锡膏后，使它们可以进行焊接，保证其导热性能；

2)本发明采用焊剂含量较低的焊锡膏进行冷板组件的焊接，降低了焊接的空洞率，提高了热弯管的接触面积，增强了散热面积；

3)本发明针对冷板组件的结构特点，在回流焊炉内设计出升温快(利于金属件的预热)、保温时间长(利于焊剂充分挥发)、峰值温度低、回流时间长(既保护热弯管内部的相变材料，又保证了较大的热容量)的焊接温度曲线，该温度曲线使冷板组件焊接充分，形成了可靠性良好的焊接合金层；

4)本发明通过计算对焊锡膏的涂覆面积和厚度均进行了合理的控制，解决了焊锡膏污染导热指、基体、盖板表面导致尺寸超差，后续安装精度无法保证的难题；

5)本发明的焊接工装采用镂空、轻体积、激光刻标识定位等方法，保证了产品的最终焊接成型尺寸，并减少了工装阻热及吸热对焊接温度曲线的影响。

6)本发明通过镀镍、涂焊锡膏、焊锡膏的涂覆量控制、回流焊时焊接温度设计、焊接工装保证精度等一系列工艺方法，通过该方法，保证了冷板基体、冷板盖体与热弯管、热弯管与导热指完全无缝可靠连接，有效地较少了接触热阻，得到了良好的传热效果。

附图说明

图1a、图1b分别是本发明中冷板组件的左视图和主视图；

图2是本发明的流程图；

图3a、图3b、图3c是本发明中焊接工装的主视图、俯视图和立体图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照各附图，一种冷板组件的焊接方法，该冷板组件包括冷板基体101、冷板盖体102、热弯管103和导热指104，该热弯管103的最高耐热温度不超过220℃并且该热弯管103包括铝内管、装在该铝内管内的相变材料及覆在该铝内管外侧的铜外管，该热弯管103的每一端分别嵌装在一所述导热弯管103内，此外，该冷板基体101的一侧设置有用于嵌装该热弯管103的第一凹槽，该冷板盖体102用于盖合到该冷板基体101上，并且该冷板盖体102在对应于第一凹槽的位置设置有用于嵌装该热弯管103的第二凹槽，每个导热指104均外露于该冷板基体101，其特征在于，该焊接方法包括以下步骤：

1)镀镍：在冷板基体101的第一凹槽内的全部表面、冷板盖体102的第二凹槽内的全部表面、热弯管103用于嵌入到第一凹槽和第二凹槽的部位的外表面的一整圈、热弯管103的每一端用于嵌入到导热指104的部位的一整圈、每个导热指104用于与热弯管103接触的部位的的一整圈分别镀上一层5μm±2μm厚度的镍层，既防止了铝基板和铜热弯管103的表面氧化，还解决了铝基板无法进行锡铅焊接的难题。

2)涂锡：在步骤1)中的每个所述镍层(冷板基体101的第一凹槽内、冷板盖体102的第二凹槽内、热弯管103用于嵌入到第一凹槽和第二凹槽的部位的外表面、热弯管103的每一端用于嵌入到导热指104的部位、每个导热指104用于与热弯管接触的部位上的镍层)上分别涂上一层焊锡膏，所述焊锡膏的焊剂的质量百分比为8.5％±1％，Sn的质量百分比为55.75％～57.01％，Pb的质量百分比为32.75％～33.49％，树脂C₁₉H₂₉COOH的质量百分比为4％～6％，溶剂C₁₀H₂₀O₃的质量百分比为1％～4％，活性剂C₄H₆O₄的质量百分比为0.1％～0.3％，抗氧化剂C₇H₇N₃的质量百分比为0.05％～0.06％，并且上述各组分的质量百分比之和为100％。

3)装配：将热弯管103嵌装到冷板基体101的第一凹槽内和冷板盖体102的第二凹槽内，将冷板基体101和冷板盖体102连接在一起，然后将热弯管103的两端分别嵌装到一导热指104内，从而形成冷板装配体；

4)加热：将步骤3)的冷板装配体放入回流焊炉内进行回流焊。本发明采用一根热电偶分别实测回流焊炉内的冷板盖体102的第二凹槽区、两根热电偶分别测量两个导热指104内的温度，以便控制回流焊炉内的温度，温度控制如下(采用SolderStar炉温测试仪进行分析)：A)从室温经过120s～130s升温至120℃(温度曲线的预热区)；B)从120℃经过75s～80s升温至180℃(温度曲线的升温区)；C)从180℃经过150s～160s升温至峰值温度205℃～206℃(其中从>183℃的温度范围为温度曲线的回流区)；D)从峰值温度205℃～206℃经过180s～190s冷却至室温。

进一步，参照图3a、图3b和图3c，每个所述镍层上涂的焊锡膏厚度不超过2mm，第一凹槽处的焊锡膏的长度比第一凹槽两端各短0.5mm～1mm，第二凹槽处的焊锡膏的长度比第二凹槽两端各短0.5mm～1mm，热弯管103的安装位置和尺寸公差由焊接工装进行控制，冷板装配体先安装在焊接工装内，然后再放入回流焊炉内，所述焊接工装包括底座1、支柱2和盖板，所述底座1上设置有用于容纳该冷板装配体的第三凹槽，该支柱2可拆卸安装在该底座1上，以用于对放入该第三凹槽内的冷板装配体进行初步限位，该盖板盖合在该底座1上并与该底座1可拆卸连接，以用于对放入该第三凹槽内的冷板装配体进行固定，盖板可以分成三个部分，分别为第一盖板3、第二盖板4和第三盖板5，第一盖板3用于固定冷板盖体102，第二盖板4和第三盖板5分别用于固定一导热指104。本发明的焊接工装采用镂空、轻体积、激光刻标识定位等方法，保证了产品的最终焊接成型尺寸，并减少了工装阻热及吸热对焊接温度曲线的影响。

此外，所述底座1和盖板上均分布有便于冷板装配体在回流焊炉内进行对流换热的导热通孔。冷板装配体在焊接工装上安装完成后，采用高度尺从导热通孔处伸入到冷板盖体102的外表面进行测量，以及采用塞尺在盖板与底座1的间隙处测量，以保证热弯管103的安装精度在预定范围内，此外，采用高度尺的测量尺寸及塞尺的测量尺寸与设定尺寸的差值在±0.05mm以内。

进一步，所述底座1在对应于导热指104的位置设置有多个刻度，以让各种规格的冷板组件的导热指104进行对齐，这样便于快速地放置冷板装配体到底座1内，以实现对冷板装配体的快速定位。

进一步，对冷板基体101和冷板盖体102上的螺钉孔采用硅橡胶进行封堵后再放入回流焊炉内。

因为锡铅焊接需要使用焊剂增加润湿性，但是如图1a、图1b所示，热弯管103同冷却基体、冷却盖体及导热脂之间均为密封空间，若采用常规锡铅焊锡膏，焊接过程中焊剂挥发却无法排出，势必导致大量的焊接空洞，使热弯管103接触不良，最终影响散热。为了减少密封空间内的焊接空洞，本发明进行了大量的对比分析和试验，放弃了使用成型焊料片和常规焊锡膏的方案，对锡膏进行改进试验，最终选取了改良低焊剂焊锡膏进行冷板组件的焊接。

本发明创新采用了锡铅焊料焊接纯金属结构件，其焊接曲线的设计完全不同于常规电路板的锡铅焊接，且焊接后的产品尺寸和表观质量要求很高。通过分析，本发明采用了回流焊接工艺进行金属制成的冷板组件这种异构件的焊接。通过设计出升温快(利于金属件的预热)、时间长(利于焊剂充分挥发)、峰值温度低、回流时间长(既保护热弯管103内部的相变材料，又保证了较大的热容量)的专用焊接曲线，通过X光测试和金相分析，该温度曲线使冷板组件焊接充分，形成了可靠性良好的焊接合金层。

为保证焊接后的产品尺寸和表观质量符合设计要求，本发明对焊接工艺过程进行了严格的控制，采取了回流前对产品表面进行防护，通过计算对焊锡膏的涂覆面积和厚度均进行了详细的规定，并对冷板基体101和冷板盖体102上的螺钉孔进行硅橡胶封堵等方法，解决了焊锡膏污染导热指104、基体、盖板表面导致尺寸超差，后续安装精度无法保证的难题，最终保证了焊接质量。

该工艺方法通过使用证明方便、可靠，且成本低廉，无需使用真空焊接炉等大型焊接设备。上述三项应用实例经过X光机检测：焊料融化充分，焊接部位熔焊层清晰，空洞面积小于10％，且无0.4mm以上的大体积连续的空洞，远优于GJ2844-96《铝及铝合金硬钎焊技术条件》的技术指标要求：密集表面气孔区的最大直径允许为钎缝表面宽度的50％，每25mm长的钎缝上允许出现一个或数个密集表面气孔区，但要求孔的直径之和小于0.4mm。对Ⅲ级钎焊接头的内部质量要求铅着率不低于50％的要求。采取本方法的冷板组件一次成功率达到98％。本发明处理过的产品经过温度循环、温度冲击、随机振动等试验，共晶焊点无裂纹、不开裂。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷板组件的焊接方法，该冷板组件包括冷板基体、冷板盖体、热弯管和导热指，该热弯管的最高耐热温度不超过220℃并且该热弯管包括铝内管、装在该铝内管内部的相变材料及覆在该铝内管外侧的铜外管，该热弯管的每一端分别嵌装在一所述导热弯管内，此外，该冷板基体的一侧设置有用于嵌装该热弯管的第一凹槽，该冷板盖体用于盖合到该冷板基体上，并且该冷板盖体在对应于第一凹槽的位置设置有用于嵌装该热弯管的第二凹槽，每个导热指均外露于该冷板基体，其特征在于，该焊接方法包括以下步骤：

1)镀镍：在冷板基体的第一凹槽内、冷板盖体的第二凹槽内、热弯管用于嵌入到第一凹槽和第二凹槽的部位的外表面、热弯管的每一端用于嵌入到导热指的部位、每个导热指用于与热弯管接触的部位分别镀上一层镍层；

2)涂锡：在步骤1)中的每个所述镍层上分别涂上一层焊锡膏；

3)装配：将热弯管嵌装到冷板基体的第一凹槽内和冷板盖体的第二凹槽内，将冷板基体和冷板盖体连接在一起，然后将热弯管的每端分别嵌装到一导热指内，从而形成冷板装配体；

4)加热：将步骤3)的冷板装配体放入回流焊炉内进行回流焊。

2.根据权利要求1所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，步骤1)中各个位置分别镀上的镍层的厚度为5μm±2μm。

3.根据权利要求1所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，步骤2)中所述焊锡膏的焊剂的质量百分比为8.5％±1％，Sn的质量百分比为55.75％～57.01％，Pb的质量百分比为32.75％～33.49％，C₁₉H₂₉COOH的质量百分比为4％～6％，C₁₀H₂₀O₃的质量百分比为1％～4％，C₄H₆O₄的质量百分比为0.1％～0.3％，C₇H₇N₃的质量百分比为0.05％～0.06％，并且上述各组分的质量百分比之和为100％。

4.根据权利要求1所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，步骤2)中每个所述镍层上涂的焊锡膏的厚度不超过2mm，第一凹槽上的焊锡膏的长度比第一凹槽的两端各短0.5mm～1mm，第二凹槽上的焊锡膏的长度比第二凹槽的两端各短0.5mm～1mm。

5.根据权利要求1所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，步骤4)中，冷板装配体先安装在焊接工装内，然后再放入回流焊炉内，所述焊接工装包括底座、支柱和盖板，所述底座上设置有用于容纳该冷板装配体的第三凹槽，该支柱可拆卸安装在该底座上，以用于对放入该第三凹槽内的冷板装配体进行初步限位，该盖板盖合在该底座上并与该底座可拆卸连接，以用于对放入该第三凹槽内的冷板装配体进行固定，此外，所述底座和盖板上均分布有便于冷板装配体在回流焊炉内进行对流换热的导热通孔。

6.根据权利要求5所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，冷板装配体在焊接工装上安装完成后，采用高度尺从导热通孔处伸入到冷板盖体的外表面进行测量，以及采用塞尺在盖板与底座的间隙处测量，以保证热弯管的安装精度在预定范围内。

7.根据权利要求6所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，采用高度尺的测量尺寸及塞尺的测量尺寸与设定尺寸的差值在±0.05mm以内。

8.根据权利要求5所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，所述底座在对应于导热指的位置设置有多个刻度，以让各种规格的冷板组件的导热指进行对齐。

9.根据权利要求1所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，步骤4)中回流焊炉内的温度控制如下：

1)从室温经过120s～130s升温至120℃；

2)从120℃经过75s～80s升温至180℃；

3)从180℃经过150s～160s升温至峰值温度205℃～206℃；

4)从峰值温度经过180s～190s冷却至室温。

10.根据权利要求1所述的一种冷板组件的焊接方法，其特征在于，步骤4)中对冷板基体和冷板盖体上的螺钉孔采用硅橡胶进行封堵后再放入回流焊炉内。