热管散热器的回流焊接
何向阳 陕西烽火佰鸿光电科技有限公司
摘要：热管散热模块化设计的散热器，关键技术是热管与散热片以及路灯底板的焊接，焊接设备采用回流焊机，根据底板的材料以及散热片的材料我们通过试验调节回流焊的焊接温度，运送速度等解决了LED散热器的焊接问题，保证焊接质量，更好的控制散热器质量。 关键词：LED，热管，路灯，回流焊接
Reflow soldering heat pipe radiator
He Xiangyang
Abstract: The heat pipe radiator cooling modular design, the key technologies of heat pipe and heat sink and lamp base plate welding, welding equipment reflow machine, according to the the backplane material and the heat sink material, we adjust the reflow soldering temperature test,the transport speed to solve the LED heat sink welding problem, ensure the welding quality, better control the quality of the radiator. Keywords: LED ，Heat pipe, Street light, Reflow soldering
0、概述：
热管散热器的研发，伴生而来的是热管散热器与路灯底板的焊接问题，对于回流焊接技术是一项挑战。
1、热管散热器焊接设计
热管散热模组化，将热管散热组件与灯芯散热底板（焊点在两零件接触面内）焊接在一起，需要用回流焊接将其焊接在一起。由于现今业内没有这种焊接技术，公司决定有技术部负责此项技术攻关。 2、项目调研： 我们知道，现有的SMT生产线中回流焊设备主要针对的时元器件在印制板上的焊接，不适合我们产品设计的散热器焊接：
1）.一般回流焊接时将元器件焊接到印制板上，元器件、印制板本身比热容和热导率很小温度的升高与降低对于回流焊设备炉膛内的温度没有多大的影响，因此升温快，易稳定，故而加热区尺寸一般为2200mm左右；热管散热模组是将热管组件焊接到5mm厚的铝底板（310mm×640mm）上，热管组件、铝底板的比热容和热导率都比较大，在升温过程中对回流焊设备的炉膛内的温度变化影响很大，因此升温时间比较长，炉膛内部温度和热管散热模组温度不易稳定，故而回流焊设备炉膛加热区尺寸预计要大于4000mm才可达到效果。
2）. 热管散热模组的回流焊接与一般的印制板回流焊接焊点形式不同。热管散热模组焊点在接触面上且焊盘面积大，类似于内部焊接；一般的印制板回流焊接是贴片焊接，焊点小且侧面吸附焊接形式，可手工焊接。
综上所述，热管散热模组的回流焊接需要专用回流焊设备、新的焊接方式、新的检验标准。
4、技术要求 1）、目标：
（1）热管散热模组（h=60mm）焊接于5mm厚的铝底板（310mm×640mm）上的设备改造；
（2）回流焊接焊料条件（焊接温度上/下限曲线图、温区温度设定、运风设定、运速设定等）；
（3）根据底板的材料以及散热片的材料我们通过试验调节回流焊的焊接温度，运风、运输速度等解决了LED散热器的焊接问题，保证了焊接质量，更好的控制散热器质量； （4）制定新的回流焊生产准则； 2）、项目方案确定： （1）回流焊接原理
回流焊工艺是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。回流焊工作方式:几个温区加热-锡液化-降温。 从焊膏温度特性曲线（见图1）分析回流焊的原理。首先热管散热模组进入140℃～160℃的预热温区时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时，焊膏中的助焊剂润湿焊盘，焊膏软化、塌落，覆盖了焊盘，将焊盘与氧气隔离；并使热管散热模组得到充分的预热，接着进入焊接区时，温度以每秒2－3℃国际标准升温速率迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡在热管散热模组零件之间的焊盘润湿、扩散、漫流和回流混合在焊接界面上生成金属化合物，形成焊锡接点；最后热管散热模组进入冷却区使焊点凝固（见图2）。
图1 焊膏温度特性曲线
图2 回流焊机分区
（2）回流焊接特点
a 一般回流焊接特点
由于回流焊工艺有\再流动\及\自定位效应\的特点，使回流焊工艺对贴装精度要求比较宽松，比较容易实现焊接的高度自动化与高速度。同时也正因为再流动及自定位效应的特点，回流焊工艺对焊盘设计、元器件标准化、元器件端头与印制板质量、焊料质量以及工艺参数的设置有更严格的要求。
回流焊是在炉前已经有焊料,在炉子里只是把锡膏融化而形成焊点, 高温热风形成回流对元件焊接。回流焊是焊贴片元件的。 b 热管散热模组回流焊接特点
①热管散热模组零件大，比热容和热导率都比较大，对回流焊设备的炉膛内的温度变化影响很大，因此升温时间比较长。
②热管散热模组焊点在接触面上且焊盘面积大 ③特殊设备、特殊工艺、新回流焊生产准则 （3）回流焊接方案
SMT是一项综合的系统工程技术，其涉及范围包括基板、设计、设备、元器件、组装工艺、生产辅料和管理等。SMT设备和SMT工艺对操作现场要求电压要稳定，要防止电磁干扰，要防静电，要有良好的照明和废气排放设施，对操作环境的温度、湿度、空气清洁度等都有专门要求，操作人员也应经过专业技术培训。
回流焊作为SMT生产中的关键工序，合理的温度曲线设置是保证回流焊质量的关键。不恰当的温度曲线会使PCB板出现焊接不全、虚焊、元件翘立、焊锡球过多等焊接缺陷，影响产品质量。
热管散热模组回流焊接是路灯质量保证的关键工序，同样合理的温度曲线设置是保证回流焊质量的关键；不恰当的温度曲线会使热管散热模组中的散热片哈呢接不全、虚焊、翘起、焊锡球过多等焊接缺陷，影响产品质量。高质量的焊接应具备以下5项基本要求:
a、适当的热量
适当的热量指对于所有焊接面的材料，都必须有足够的热能使它们熔化和形成金属间界面（IMC），足够的热也是提供润湿的基本条件之一。另一方面，热量又必须控制在一定程度内，以确保所接触到的材料（不只是焊端）不会受到热损坏，以及IMC层的形成不至于太厚。再一方面，焊膏的温度曲线是焊料物理性能图解，且是回流焊机温度设置的参考温度数值。现热管散热模组回流焊接采用的焊料是63Sn/37Pb焊膏，其温度曲线特征如图3所示。
图3 63Sn/37Pb焊膏回流焊温度曲线图
依据焊膏发热回流焊温度曲线图以及回流焊机设备特性，确定焊锡膏在散热器焊接过程中的温度曲线上下线（附件1温度曲线下线确认表、附件2温度曲线上线确认表），初步确定160W路灯产品中散热器设置温度如表一
表一 焊接温度设定值 温区 温区1 温区2 温区3 温区4 温区5 温区6 温区7 温区8 温区9 温区10 温度℃ 245 245 245 245 245 250 255 305 340 210 b、良好的润湿 润湿除了是较好可焊性的象征外，也是形成最终焊点形状的重要条件。不良的润湿现象通常说明焊点的结构不理想，包括IMC的未完整成形以及焊点填充不良等问题。这些问题都会影响焊点的寿命。
良好的润湿的保证需要合适的回流风速和运输速度配合回流焊接温度设定值，依据焊接温度设定值，设定热管散热模组回流焊接用和运输速度如表二所示：
表二 运速、风速设定值 回流风速 48 回流风速 48 运输速度 12.5 c、适当的焊点大小和形状； 要焊点有足够的寿命，就必须确保焊点的形状和大小符合焊端结构的要求。太小的焊点其机械强力不足，无法承受使用中的应力，甚至连焊接后存在的内应力也无法承受。而一旦在使用中开始出现疲劳或蠕变开裂，其断裂速度也较快。焊点的形状不良还会造成舍重取轻的现象，缩短焊点的寿命期。
好的焊点大小和形状控制，需要好的锡膏印刷设计。根据底板（图4）、热管组件（图5）连接部位，设计合理的锡膏印刷钢网，
图4
图5
3）、回流焊在160W路灯产品中散热器的焊接应用
160W路灯产品中散热器，需要采用回流焊焊接才可以将底板与热管组件连接在一起，保证我公司研制的LED路散热器散热，让LED结温保持在 80°C以下，并确保LED灯源铜材底座到散热器的温差控制在5℃之内，达到LED路灯产品所需散热要求，使得我公司LED路灯产品与型材散热灯具相比较具有以下优点 （1）灯具结构简单； （2）灯具重量轻；
（3）散热模组数量可以随功率增减变化； （4）灯具造型多样。
回流焊在160W路灯产品中散热器的焊接应用，通过我公司研制的LED路灯产品几个批次的生产，散热器散热质量有保证，可以有效地控制LED灯具的结点温度在80℃以下，在路灯示范工程中应用的路灯一年来运行非常正常，得到了用户一致好评。 6、结论
回流焊接技术应用在LED路灯散热器焊接，解决了LED路灯散热器底板与热管组件焊接难题，使得热管散热器应用到LED灯具产品中，促进热管散热器实现标准化、模块化的设计，提高生产速度，大幅度降低了LED灯具的生产成本；解决了LED路灯、隧道灯等大功率及超大功率的散热难题，撑开了大功率LED散热的瓶颈，可以预见的是，世人将会享受到应用热管散热器散热的超亮度LED的光明。
何向阳（1979-）， 男，学士学位，主要从事LED灯具生产工艺、设计