Паяные жидкостные охлаждающие пластины: инженерное руководство по высокоэффекти

Поскольку удельная мощность в системах электромобилей, высокопроизводительных вычислениях, системах хранения энергии и силовой электронике продолжает расти, жидкостные охлаждающие пластины стали одним из наиболее эффективных доступных решений для охлаждения.

Среди различных технологий производства паяная жидкостная охлаждающая пластина выделяется своей структурной надежностью, герметизирующими свойствами и способностью поддерживать сложные внутренние каналы потока.

Данная статья представляет собой профессиональный обзор следующих тем:

• Выбор материала (медь или алюминий)

• Принципы вакуумной пайки

• Технологический процесс производства

• Преимущества технологии вакуумной пайки жидкостными холодными пластинами

• Проверка производительности и контроль качества

• сценарии применения

1. Что такое паяная жидкостная охлаждающая пластина?

Паяная жидкостная охлаждающая пластина представляет собой многослойный металлический тепловой компонент, изготовленный путем послойного соединения тонких металлических листов — обычно алюминиевых сплавов — методом вакуумной пайки. В результате образуются герметичные внутренние каналы для охлаждающей жидкости, способные выдерживать высокое давление и высокий тепловой поток.

В отличие от пластин, сваренных механическим способом или методом сварки трением с перемешиванием, при вакуумной пайке в холодном жидком состоянии между слоями создается металлургическая связь с использованием припоя с более низкой температурой плавления, чем у основного материала. Основной металл остается твердым, в то время как припой плавится и растекается за счет капиллярного эффекта, образуя высокопрочные соединения.

Ключевые характеристики включают:

• Прочность металлургической связи составляет до 80–95% от прочности основного металла.

· Скорость утечки ≤ 1×10⁻⁷ мбар·л/с

• Высокая устойчивость к давлению (давление разрыва ≥ 3× рабочего давления)

• низкое межфазное термическое сопротивление

• Возможность проектирования сложных многослойных каналов для потока

2. Выбор материала: алюминий или медь.

В жидкостных охлаждающих пластинах используются два основных материала:

2.1 алюминиевый сплав

Алюминий широко используется благодаря:

• более низкая плотность (примерно 1/3 от плотности меди)

• более низкая стоимость материалов

• Хорошая теплопроводность (150–200 Вт/м·К)

• Отличная коррозионная стойкость

• Совместимость с вакуумной пайкой

Типичные материалы:

• Листы плакированного алюминия 3003/4343

• Алюминий 6061 для несущих конструкций

Алюминий является предпочтительным решением, если только не требуется чрезвычайно высокая теплопроводность.

2.2 медь

медь предлагает:

• Теплопроводность до 400 Вт/м·К

• Отличные теплоотводящие свойства

однако:

• значительно больший вес

• более высокая стоимость

• более сложная обработка

Поэтому медь, как правило, используется в областях с высоким магнитным потоком, таких как лазерные системы или модули сверхвысокой мощности.

3. Технологии сварки, используемые при изготовлении жидкостных охлаждаемых пластин.

Пластины с водяным охлаждением обычно изготавливаются с использованием одного из следующих способов соединения:

вакуумная пайка

• Сварка трением с перемешиванием

• лазерная сварка

· аргонодуговая сварка

· диффузионная сварка

Среди них технология вакуумной пайки жидким холодным металлом широко применяется для алюминиевых изделий благодаря структурной гибкости и эффективности серийного производства.

4. Принцип вакуумной пайки

Вакуумная пайка выполняется внутри высоковакуумной печи (≤5×10⁻³ Па). Процесс включает в себя:

• Нагрев всей конструкции под вакуумом.

• Присадочный металл (плакирующий слой, например, алюминиевый сплав 4343) плавится при температуре ~580–600 °C.

• Расплавленный наполнитель за счет капиллярного эффекта заполняет зазоры в швах.

• Диффузия происходит между присадочным материалом и основным металлом.

· Металлургическая связь образуется после контролируемого охлаждения.

удаление оксидной пленки из алюминия

На алюминиевых поверхностях естественным образом образуется стабильный слой оксида алюминия (al₂o₃), который препятствует смачиванию.

при вакуумной пайке:

• Магний (мг) действует как активатор.

· мг реагирует с остаточным кислородом и влагой.

• Пары массой в мг диффундируют под оксидной пленкой.

• Образование низкоплавкой фазы al-si-mg нарушает адгезию оксида.

• Расплавленный припой смачивает и растекается по поверхности основного металла.

Этот механизм обеспечивает чистое соединение без флюса и значительно повышает коррозионную стойкость.

5. Технологический процесс изготовления паяных пластин с жидкостным охлаждением.

5.1 Подготовка сырья

· Проверка плакированного алюминиевого листа

• измерение толщины

• Проверка чистоты поверхности

• Проверка соответствия требованиям RoHS/REACH

• обезжиривание и активация кислотой

5.2 проектирование и моделирование

· CFD-моделирование тепловых и гидродинамических процессов

• структурный анализ fea

• Прогнозирование деформации при пайке

· Оптимизация dfm

5.3 Штамповка и формовка каналов

Последовательная штамповка формирует внутренние каналы.

Типичные параметры:

• Глубина канала: 0,8–5,0 мм

• Высота заусенца: ≤0,02 мм

· Допуск по положению: ±0,03 мм

5.4 прецизионная очистка

· щелочная обезжиривание

• Ультразвуковая очистка (40 кГц, 50 °C)

• активация кислоты

· ополаскивания водой

• Сушка горячим воздухом

Чистота имеет решающее значение для обеспечения надлежащего смачивания припоем.

5.5 штабелирование и сборка

• Выравнивание слоев с использованием прецизионных приспособлений

· Допуск на позиционирование ≤0,05 мм

• Равномерный зазор между слоями: 0,05–0,15 мм

· временная фиксация

5.6 цикл вакуумной пайки

• загрузить в печь

· вакуум ≤5×10⁻³ па

• контролируемый нагрев до 580–600 °C

• Выдерживать в течение 5–15 минут

• контролируемое охлаждение для минимизации стресса

Равномерный нагрев обеспечивает минимальные термические деформации и ровное формирование соединений.

5.7 постобработка после пайки

• гидравлическое выравнивание

• Обработка портов на станках с ЧПУ

• Шлифовка уплотнительной поверхности (ra ≤1,6 мкм)

• снятие заусенцев

· заключительная уборка

6. Преимущества технологии вакуумной пайки жидкостными холодными пластинами

К преимуществам вакуумной пайки с использованием жидкостных охлаждающих пластин относятся:

6.1 высокая структурная целостность

По всей поверхности можно одновременно паять несколько соединений. Печь позволяет штабелировать детали, что обеспечивает возможность пакетной обработки.

6.2 Отличная устойчивость к давлению

Изделия выдерживают высокое рабочее давление без деформации.

типичный:

• Рабочее давление: 1,0 МПа

• Давление разрыва: ≥3,0 МПа

6.3 превосходная герметичность

Скорость утечки гелия:

≤ 1×10⁻⁷ мбар·л/с

Идеально подходит для систем электромобилей и высокопроизводительных вычислительных систем с длительным сроком службы.

6.4 минимальное термическое напряжение

Вся сборка равномерно нагревается, что снижает деформацию и остаточные напряжения.

6.5 Возможность работы в сложных каналах потока

Вакуумная пайка позволяет:

· змеевидные каналы

· параллельные каналы

• древовидные структуры

· сети электросетей

Сложная топология улучшает распределение потока и равномерность теплообмена.

6.6 Отличная коррозионная стойкость

Остатки флюса не используются, что предотвращает проблемы коррозии после обработки.

7. Проверка производительности и контроль качества.

7.1 Проверка на герметичность

• поддержание давления воздуха

· Тест гелиевого масс-спектрометра

• Испытание давлением воды (1,5-кратное рабочее давление)

7.2 Тест на тепловые характеристики

• Имитированная тепловая нагрузка (500–5000 Вт)

• измерение теплового сопротивления

• Приемлемость: ≤ проектное значение +10%

7.3 структурные испытания

• Испытание на разрывное давление

• Циклирование под давлением (100 000 циклов)

• Испытания на вибрацию (10–500 Гц)

7.4 надежность окружающей среды

• Солевой туман ≥48–96 часов

· термоциклирование

8. Применение припаянных жидкостных охлаждающих пластин

Благодаря своей надежности и структурной гибкости, решения на основе пайки жидкими охлаждающими пластинами широко используются в:

• аккумуляторные батареи для электромобилей

· модули IGBT

• мощные инверторы

· Жидкостное охлаждение графического процессора/процессора

· Системы связи 5G

• лазерное оборудование

· системы медицинской визуализации

В приложениях с высокой удельной мощностью, где воздушного охлаждения недостаточно, технология вакуумной пайки жидкостных охлаждающих пластин обеспечивает стабильное и долговременное регулирование температуры.

9. Ограничения вакуумной пайки

Несмотря на высокую эффективность, вакуумная пайка имеет свои особенности:

• высокие инвестиционные затраты на печь

• энергоемкий процесс

• Твердость материала снижается после высокотемпературного цикла.

• требует строгой очистки и контроля технологического процесса.

Однако для средне- и крупносерийного производства со сложной структурой каналов преимущества перевешивают эти ограничения.

Паяная жидкостная охлаждающая пластина представляет собой одно из самых надежных и конструктивно совершенных решений в современной технологии жидкостных охлаждающих пластин.

вакуумной пайкой:

• Реализованы сложные многослойные канальные системы

• Достигается высокая герметичность под давлением

• Поддерживается низкое термическое сопротивление

• Повышена коррозионная стойкость

Когда критически важны тепловые характеристики, надежность конструкции и длительный срок службы, вакуумно-паянная жидкостная охлаждающая пластина представляет собой проверенное и масштабируемое решение для сложных задач охлаждения в промышленности и электронике.