CN118139292A - 利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，公开了一种利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法，该方法包括：(1)根据带孔金属板上孔的大小、个数和位置，在智能钎焊薄膜上开孔得到带孔智能钎焊薄膜，并在电路板上设置阻焊环；其中，智能钎焊薄膜上开孔为锯齿状孔；(2)将带孔金属板、至少一层带孔智能钎焊薄膜和电路板依次堆叠装配得到待焊接件；(3)对待焊接件施加压力，并在压力下激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接；其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝(0.25‑0.5)MPa×S，其中，F表示施加的压力，S表示电路板的面积。本发明的方法可以避免焊接时溢锡、溅锡的问题，还能够提高电路板的散热能力。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法。
背景技术
电路板与壳体焊接常见于需要较强散热能力的微波电路板、射频电路板等领域。由于元器件发热量大，需要较强的散热能力，常将整块电路板与金属壳体焊接，目前采用锡膏回流焊等形式将电路板与金属壳体进行锡钎焊连接。然而，在微波与射频组件领域，常常需要在金属壳体预留插座孔内装配相应的元器件，使用传统焊接方式例如回流焊等不但加热时间较长，焊接时还会导致插座孔孔壁挂上溢锡、溅锡，导致装配元器件时造成短路影响设备性能，所以针对带孔金属壳体与电路板的连接常常采用机械固定的方式，但机械固定的方式易导致出现装配孔隙，使散热能力下降，影响器件运行稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的传统的回流焊的焊接方式导致孔壁挂上溢锡、溅锡的问题，以及机械固定方式导致散热能力下降的问题，本发明提供了一种利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法。本发明通过在智能钎焊薄膜上设置特定形状的开孔，并在电路板上设置阻焊环，并结合特定的施加压力方式，不仅可以避免带孔金属壳体与电路板焊接时产生溢锡、溅锡，从而避免装配元器件时造成短路影响设备性能；同时，还能够提高散热能力。
为了实现上述目的，本发明提供了一种利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法，该方法包括以下步骤：
(1)根据带孔金属板上孔的大小、个数和位置，在智能钎焊薄膜上开孔得到带孔智能钎焊薄膜，并在电路板上设置阻焊环；其中，智能钎焊薄膜上开孔为锯齿状孔；
(2)将带孔金属板、至少一层带孔智能钎焊薄膜和电路板依次堆叠装配得到待焊接件；
(3)对待焊接件施加压力，并在压力下激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接；其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝(0.25-0.5)MPa×S，其中，F表示施加的压力，S表示电路板的面积。
通过上述技术方案，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明通过在智能钎焊薄膜上设置特定形状的开孔，并在电路板上设置阻焊环，并结合特定的施加压力方式，不仅可以避免带孔金属壳体与电路板焊接时产生溢锡、溅锡，从而避免装配元器件时造成短路影响设备性能；同时，还能够提高散热能力和焊着率。
(2)本发明利用智能钎焊薄膜大幅缩短了焊接时间(缩短至毫秒级)，在保证焊透率的同时，避免了传统焊接工艺中加热时间过长导致的液态焊锡流淌的问题，同时利用智能钎焊薄膜可提前切割成特定形状的性质，在智能钎焊薄膜上设置特定形状的开孔，保证了在加压情况下焊锡不向孔内飞溅；
(3)根据本发明优选的实施方式，本发明采用的智能钎焊薄膜的主要成分均为导热率较高的金属，可充分满足电路板元器件对散热能力的需求；
(4)相对机械固定式结构，本发明的焊接方法几乎不需占用电路板空间，减少了电路板设计难度，提高了元器件密度，利于产品集成化，小型化；
(5)采用本发明的方法能够提高焊接强度，可以达到50MPa以上；
(6)本发明的方法利用智能钎焊薄膜的自发热性质，简化了操作，提高了成品率，节省了设备成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种堆叠装配的实施方式；
图2是本发明提供的带孔金属板上孔、锯齿状孔与阻焊环之间的位置示意图。
附图标记说明
1、带孔金属壳体2、电路板3、智能钎焊薄膜4、带孔金属壳体上的孔5、阻焊环6、锯齿状孔的齿
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法，该方法包括以下步骤：
(1)根据带孔金属板上孔的大小、个数和位置，在智能钎焊薄膜上开孔得到带孔智能钎焊薄膜，并在电路板上设置阻焊环；其中，智能钎焊薄膜上开孔为锯齿状孔；
(2)将带孔金属板、至少一层带孔智能钎焊薄膜和电路板依次堆叠装配得到待焊接件；
(3)对待焊接件施加压力，并在压力下激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接；其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝(0.25-0.5)MPa×S，其中，F表示施加的压力，S表示电路板的面积。
本发明中，1MPa＝100N/cm2。
本发明中，可以理解的是，所述锯齿状孔是指孔的边缘呈现锯齿状，例如图2中所示的锯齿。
本发明中，所述锯齿状孔中的每个齿可以是大小均一的三角形，也可以是大小不一的三角形，优选情况下，每个齿是大小均一的三角形。其中，三角形可以是不规则的三角形，也可以是等边三角形，还可以是等腰三角形，优选为等边三角形或等腰三角形(优选情况下，三角形的高为0.2-0.7mm，更优选为0.45-0.55mm)。并且可以理解的是，通常在齿的大小不改变的情况下，所述锯齿状孔中齿的个数随孔径的增大而增多；例如，当带孔金属壳体上孔的直径为2.0mm时，齿的个数为20个；而当带孔金属壳体上孔的直径大于2.0mm时，齿的个数大于20。
根据本发明，为了进一步提高散热能力和焊着率，进一步降低溢锡、溅锡的量，优选地，所述锯齿状孔的内径比带孔金属壳体上孔的直径大0.1-0.3mm，所述锯齿状孔的外径比带孔金属壳体上孔的直径大0.5-0.8mm。需要说明的是：所述锯齿状孔的内径是指：所有三角形齿内侧顶点连线形成圆的直径；所述锯齿状孔的外径是指：所有三角形齿外侧顶点连线形成圆的直径。
根据本发明，在智能钎焊薄膜上开孔的方式没有特别的限定，只要能够获得锯齿状孔即可，例如，采用冷激光打孔法在智能钎焊薄膜上开孔。
根据本发明，优选地，所述智能钎焊薄膜的组成包括锡10-20重量％，铝40-45重量％，镍40-45重量％。
根据本发明，优选地，所述智能钎焊薄膜的单层厚度为50-80μm。
根据本发明，优选地，步骤(2)中，带孔智能钎焊薄膜的层数为1-3层，更优选为1-2层。
根据本发明，优选地，设置阻焊环的方式为冷激光切割和/或涂抹阻焊油。本发明中，可以理解的是，冷激光切割是指：利用激光切割破坏电路板表面镀金层，使不具有可焊性的基材裸露出来。涂抹阻焊油是指：在电路板表面涂抹阻焊油。其中，阻焊油可以为本领域常用的阻焊油。根据带孔金属板上孔和锯齿状孔的位置设置阻焊环，使阻焊环设置在带孔金属板上孔的外部，锯齿状孔的内部。
根据本发明，优选地，所述阻焊环的外径为比带孔金属壳体上孔的直径大0.2-0.3mm，所述阻焊环的内径与带孔金属壳体上孔的直径相等。
根据本发明，优选地，采用冷激光切割设置阻焊环的方式为：采用冷激光在电路板上进行5-6次环形切割，相邻两个环形的直径差值为0.05-0.07mm。
本发明中，采用冷激光切割设置阻焊环时，冷激光切割的条件没有特别的限定，可以为本领域中常用的条件，只要能够形成上述的阻焊环即可。
根据本发明，优选地，所述带孔金属板为表面镀银的铝板。
根据本发明，所述带孔金属板的厚度没有特别的限定，例如，所述带孔金属板的厚度为2-5mm。
根据本发明，优选地，所述电路板的材质为表面镀金的玻纤布基材或表面镀金的金属基材。其中，金属基材为不具有较好焊接性能的金属，例如铝基等。
根据本发明，所述电路板的厚度没有特别的限定，例如，所述电路板的厚度为2-3mm。
根据本发明，为了进一步提高散热能力和焊着率，优选地，步骤(2)中，智能钎焊薄膜的总厚度与带孔金属板的厚度比值为0.02-0.04：1。
根据本发明，优选地，步骤(2)中，堆叠装配过程中使用金属定位柱对带孔金属板、带孔智能钎焊薄膜和电路板进行定位。
根据本发明，激活智能钎焊薄膜的方式没有特别的限定，只要能够实现自蔓延焊接即可，例如，激活智能钎焊薄膜的方式为接触式激活或非接触式激活。本领域技术人员能够理解的是，接触式激活的方式为：采用瞬间电压和电流(例如，电压为9-9.5V，电流为3-3.5A)，先将正极触点放置在智能钎焊薄膜上，同时利用负极触点多次频繁在智能钎焊薄膜上形成回路，利用产生的电火花激活焊片。非接触式激活的方式为：使用激光器连续照射在智能钎焊薄膜同一位置一段时间(例如3-4秒)即可完成激活。
根据本发明，为了进一步提高散热能力和焊着率优选地，所述方法还包括：在进行步骤(3)之前，将待焊接件进行预热。
根据本发明，为了更进一步提高散热能力和焊着率，优选地，所述预热的温度为100-150℃。
根据本发明一种特别优选的实施方式，本发明的利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法包括以下步骤：
(1)根据带孔金属板的设计图纸上孔的大小、个数和位置，采用冷激光打孔法(冷激光打孔法的操作条件包括(使用20-22W的激光器，45-46％的能量条件下，按照提前设计好的图纸进行打孔)在智能焊接薄膜进行切割开孔得到带孔智能钎焊薄膜，其中，开孔为锯齿状孔，锯齿状孔的外径为2.65-2.7mm，内径为2.15-2.2mm；智能钎焊接薄膜的组成为19-21重量％锡，39-41重量％铝，39-41重量％镍；单层智能钎焊薄膜的厚度为75-80μm。
(2)采用冷激光切割的方式(冷激光切割的方式的操作条件包括：20-22W激光器，使用95-96％的能量，共切割5次，根据金属壳体上孔的位置，在电路板上切割出直径依次分别为2.0-2.01mm、2.05-2.06mm、2.1-2.11mm、2.15-2.16mm、2.2-2.21mm五道环形痕迹，如图2所示)在电路板上设置阻焊环得到带有阻焊环的电路板，其中，阻焊环的设置位置与带孔金属板上的孔对应；阻焊环的最外层直径为2.2-2.21mm，最内侧直径为2.0-2.01mm。
使用金属定位柱将带孔金属板、两层带孔智能钎焊薄膜和带有阻焊环的电路板依次从下至上堆叠装配得到待焊接件(如图1所示)，其中，金属定位柱为不锈钢材质。
(3)将待焊接件预热至145-150℃，然后置于压力机中施加压力，压力施加完成后，并在压力下使用9-9.2V，3-3.2A的电流激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接。其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝(0.49-0.5)MPa×S。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中，
电路板尺寸为60mm(长)×60mm(宽)×2mm(厚)，电路板的材料为表面镀金的铝基材料；
智能焊接薄膜的长和宽与电路板相同；
金属壳体尺寸为65mm(长)×65mm(宽)×5mm(厚)，金属壳体的材料为表面镀银的6063铝，金属壳体底部有11(行数)×11(列数)共121个直径为2mm的小孔。
实施例1
(1)根据带孔金属板的设计图纸上孔的大小、个数和位置，采用冷激光打孔法(冷激光打孔法的操作条件包括：使用20W的激光器，45％的能量条件下，按照提前设计好的图纸进行打孔)在智能焊接薄膜进行切割开孔得到带孔智能钎焊薄膜，其中，开孔为锯齿状孔，锯齿状孔的外径为2.7mm，内径为2.2mm；智能钎焊接薄膜的组成为10重量％锡，45重量％铝，45重量％镍；单层智能钎焊薄膜的厚度为50μm。
(2)采用冷激光切割的方式(冷激光切割的方式的操作条件包括：20W激光器，使用95％的能量，共切割5次，根据金属壳体上孔的位置，在电路板上切割出直径依次分别为2.0mm、2.05mm、2.1mm、2.15mm、2.2mm五道环形痕迹，如图2所示)在电路板上设置阻焊环得到带有阻焊环的电路板，其中，阻焊环的设置位置与带孔金属板上的孔对应；阻焊环的最外层直径为2.2mm，最内侧直径为2.0mm。
使用金属定位柱将带孔金属板、两层带孔智能钎焊薄膜和带有阻焊环的电路板依次从下至上堆叠装配得到待焊接件(如图1所示)，其中，金属定位柱为不锈钢材质，直径为2mm。
(3)将待焊接件预热至100℃，然后置于压力机中施加压力，压力施加完成后，并在压力下使用9V，3A的电流激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接；其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝0.25MPa×S。
实施例2
(1)根据带孔金属板的设计图纸上孔的大小、个数和位置，采用冷激光打孔法(冷激光打孔法的操作条件包括：使用20W的激光器，45％的能量条件下，按照提前设计好的图纸进行打孔)在智能焊接薄膜进行切割开孔得到带孔智能钎焊薄膜，其中，开孔为锯齿状孔，锯齿状孔的外径为2.7mm，内径为2.2mm；智能钎焊接薄膜的组成为20重量％锡，40重量％铝，40重量％镍；单层智能钎焊薄膜的厚度为80μm。
(2)采用冷激光切割的方式(冷激光切割的方式的操作条件包括：20W激光器，使用95％的能量，共切割5次，根据金属壳体上孔的位置，在电路板上切割出直径依次分别为2.0mm、2.05mm、2.1mm、2.15mm、2.2mm五道环形痕迹，如图2所示)在电路板上设置阻焊环得到带有阻焊环的电路板，其中，阻焊环的设置位置与带孔金属板上的孔对应；阻焊环的最外层直径为2.2mm，最内侧直径为2.0mm。
使用金属定位柱将带孔金属板、两层带孔智能钎焊薄膜和带有阻焊环的电路板依次从下至上堆叠装配得到待焊接件(如图1所示)，其中，金属定位柱为不锈钢材质，直径为2mm。
(3)将待焊接件预热至150℃，然后置于压力机中施加压力，压力施加完成后，并在压力下使用9V，3A的电流激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接；其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝0.5MPa×S。
实施例3
(1)根据带孔金属板的设计图纸上孔的大小、个数和位置，采用冷激光打孔法(冷激光打孔法的操作条件包括：使用20W的激光器，45％的能量条件下，按照提前设计好的图纸进行打孔)在智能焊接薄膜进行切割开孔得到带孔智能钎焊薄膜，其中，开孔为锯齿状孔，锯齿状孔的外径为2.7mm，内径为2.2mm；智能钎焊接薄膜的组成为16重量％锡，42重量％铝，42重量％镍；单层智能钎焊薄膜的厚度为70μm。
(2)采用冷激光切割的方式(冷激光切割的方式的操作条件包括20W激光器，使用95％的能量，共切割5次，根据金属壳体上孔的位置，在电路板上切割出直径依次分别为2.0mm、2.05mm、2.1mm、2.15mm、2.2mm五道环形痕迹，如图2所示)在电路板上设置阻焊环得到带有阻焊环的电路板，其中，阻焊环的设置位置与带孔金属板上的孔对应；阻焊环的最外层直径为2.2mm，最内侧直径为2.0mm。
使用金属定位柱将带孔金属板、两层带孔智能钎焊薄膜和带有阻焊环的电路板依次从下至上堆叠装配得到待焊接件(如图1所示)，其中，金属定位柱为不锈钢材质，直径为2mm。
(3)将待焊接件预热至125℃，然后置于压力机中施加压力，压力施加完成后，并在压力下使用9V，3A的电流激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接；其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝0.4MPa×S。
实施例4
按照实施例1的方法进行，不同的是，步骤(3)中不包括预热的步骤。
实施例5
按照实施例1的方法进行，不同的是，锯齿状孔的外径为2.5mm，内径为2.2mm。
实施例6
按照实施例1的方法进行，不同的是，智能钎焊薄膜的厚度为40um。
对比例1
按照实施例1的方法进行，不同的是，将步骤(1)中，智能焊接薄膜进行切割开孔，开孔形状为圆形，圆形的直径为2.5mm。
对比例2
按照实施例1的方法进行，不同的是，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝0.15MPa×S。
对比例3
按照实施例1的方法进行，不同的是，步骤(2)中不包括在电路板上设置阻焊环的步骤。
测试例1
将上述实施例和对比例制备得到产品进行测试，结果如表1所示。测试方法如下：
(1)焊着率(即，有效焊接面积)的测试方法：待焊接件初始待焊接的面积(记为S0)，利用拉伸测试机测量焊接产品的抗拉强度，同时直接用显微镜观察拉开的焊接件上实际焊接的面积(记为S1)，有效焊接面积＝S0÷S1×100％。有效焊接面积越高说明焊接性能越好。
(2)溢锡、溅锡的测试方法：高倍显微镜下直接观察孔洞内部溢锡、溅锡的量。
(3)采用热流法测试散热能力(导热系数)：热流法是以稳定导热原理为基础，在稳定状态下，单向热流垂直流过试样，通过测量试样上下两导热杆6个点的温度，有效传热面积和厚度，即可计算试样的导热系数。在本发明中，通过热流法导热系数测量仪测量焊接完成试样的导热能力与整体焊接面积的比值得出导热系数。
表1
| 焊着率 | 溢锡、溅锡的效果 | 导热系数 | |
| 实施例1 | 90％ | 无溢锡溅锡 | 70W/(m*K) |
| 实施例2 | 98％ | 无溢锡溅锡 | 80W/(m*K) |
| 实施例3 | 94％ | 无溢锡溅锡 | 74W/(m*K) |
| 实施例4 | 75％ | 无溢锡溅锡 | 52W/(m*K) |
| 实施例5 | 85％ | 少量溢锡 | 62W/(m*K) |
| 实施例6 | 60％ | 无溢锡溅锡 | 38W/(m*K) |
| 对比例1 | 85％ | 较大量溢锡 | 64W/(m*K) |
| 对比例2 | 40％ | 无溢锡溅锡 | 25W/(m*K) |
| 对比例3 | 90％ | 较大量溢锡 | 65W/(m*K) |
通过表1的结果可以看出，本发明的实施例1-6不仅可以降低溢锡溅锡，还具有较高的焊着率和散热能力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)根据带孔金属板上孔的大小、个数和位置，在智能钎焊薄膜上开孔得到带孔智能钎焊薄膜，并在电路板上设置阻焊环；其中，智能钎焊薄膜上开孔为锯齿状孔；
(2)将带孔金属板、至少一层带孔智能钎焊薄膜和电路板依次堆叠装配得到待焊接件；
(3)对待焊接件施加压力，并在压力下激活智能钎焊薄膜进行自蔓延焊接；其中，施加的压力与待焊接件之间满足关系式：F＝(0.25-0.5)MPa×S，其中，F表示施加的压力，S表示电路板的面积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述锯齿状孔的内径比带孔金属壳体上孔的直径大0.1-0.3mm，所述锯齿状孔的外径比带孔金属壳体上孔的直径大0.5-0.8mm；
优选地，在智能钎焊薄膜上开孔的方式为冷激光打孔法。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述智能钎焊薄膜的组成包括锡10-20重量％，铝40-45重量％，镍40-45重量％；
和/或，所述智能钎焊薄膜的单层厚度为50-80μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，设置阻焊环的方式为冷激光切割和/或涂抹阻焊油。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述带孔金属板为表面镀银的铝板；
和/或，所述带孔金属板的厚度为2-5mm；
和/或，所述电路板的材质为表面镀金的玻纤布基材或表面镀金的金属基材；
和/或，所述电路板的厚度为2-3mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中，智能钎焊薄膜的总厚度与带孔金属板的厚度比值为0.02-0.04：1。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中，堆叠装配过程中使用金属定位柱对带孔金属板、带孔智能钎焊薄膜和电路板进行定位。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，激活智能钎焊薄膜的方式为接触式激活或非接触式激活。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：在进行步骤(3)之前，将待焊接件进行预热。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述预热的温度为100-150℃。
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|---|---|---|---|
| CN202410261142.7A CN118139292A (zh) | 2024-03-07 | 2024-03-07 | 利用智能钎焊薄膜焊接带孔金属壳体和电路板的方法 |
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