صفحات سرد مایع لحیم‌کاری شده: راهنمای مهندسی برای راه‌حل‌های حرارتی با کارایی بال

با افزایش مداوم چگالی توان در سیستم‌های خودروهای برقی، محاسبات با کارایی بالا، ذخیره‌سازی انرژی و الکترونیک قدرت، صفحات سرد مایع به یکی از کارآمدترین راه‌حل‌های خنک‌کننده موجود تبدیل شده‌اند.

در میان فناوری‌های مختلف تولید، صفحه سرد مایع لحیم‌کاری شده به دلیل قابلیت اطمینان ساختاری، عملکرد آب‌بندی و توانایی پشتیبانی از کانال‌های جریان داخلی پیچیده، برجسته است.

این مقاله یک مرور کلی حرفه‌ای از موارد زیر ارائه می‌دهد:

· انتخاب مواد (مس در مقابل آلومینیوم)

· اصول لحیم کاری تحت خلاء

· جریان فرآیند تولید

· مزایای فناوری صفحه سرد مایع لحیم‌کاری شده در خلاء

· اعتبارسنجی عملکرد و کنترل کیفیت

· سناریوهای کاربردی

۱. صفحه سرد مذاب لحیم‌کاری شده چیست؟

یک صفحه سرد مایع لحیم‌کاری شده، یک قطعه حرارتی فلزی چند لایه است که با روی هم قرار دادن و اتصال ورق‌های فلزی نازک - معمولاً آلیاژهای آلومینیوم - از طریق لحیم‌کاری خلاء تولید می‌شود. این فرآیند کانال‌های خنک‌کننده داخلی آب‌بندی شده‌ای را تشکیل می‌دهد که قادر به تحمل فشار و شار حرارتی بالا هستند.

برخلاف صفحات ماشینکاری شده یا جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، یک صفحه سرد مایع لحیم کاری شده در خلاء، با استفاده از فلز پرکننده با نقطه ذوب پایین‌تر از ماده پایه، پیوند متالورژیکی بین لایه‌ها ایجاد می‌کند. فلز پایه جامد باقی می‌ماند، در حالی که پرکننده لحیم کاری ذوب می‌شود و از طریق عمل مویرگی جریان می‌یابد تا اتصالات با استحکام بالا تشکیل دهد.

ویژگی‌های کلیدی عبارتند از:

· استحکام پیوند متالورژیکی تا 80 تا 95 درصد فلز پایه

· نرخ نشتی ≤ 1×10⁻⁷ میلی بار بر لیتر بر ثانیه

· مقاومت در برابر فشار بالا (فشار انفجاری ≥ ۳ برابر فشار کاری)

· مقاومت حرارتی سطحی پایین

· قابلیت طراحی کانال جریان چند لایه پیچیده

۲. انتخاب مواد: آلومینیوم در مقابل مس

دو ماده اصلی در صفحات سرد مایع استفاده می‌شود:

۲.۱ آلیاژ آلومینیوم

آلومینیوم به دلایل زیر به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد:

· چگالی کمتر (تقریباً ۱/۳ مس)

· هزینه مواد کمتر

رسانایی حرارتی خوب (150-200 w/m·k)

· مقاومت عالی در برابر خوردگی

· سازگاری با لحیم کاری تحت خلاء

مواد معمولی:

· ورق‌های آلومینیومی روکش‌دار 3003/4343

· آلومینیوم 6061 برای سازه‌های پایه

آلومینیوم راه حل ترجیحی است، مگر اینکه قابلیت پخش حرارت بسیار بالایی مورد نیاز باشد.

۲.۲ مس

پیشنهادات مسی:

رسانایی حرارتی تا 400 وات بر متر مکعب در ساعت

· عملکرد عالی در پخش گرما

با این حال:

· وزن به طور قابل توجهی بالاتر

· هزینه بالاتر

· پردازش دشوارتر

بنابراین، مس عموماً برای کاربردهای با شار بالا مانند سیستم‌های لیزری یا ماژول‌های با توان بسیار بالا رزرو می‌شود.

۳. فناوری‌های جوشکاری مورد استفاده در صفحات سرد مایع

صفحات خنک‌شونده با آب معمولاً با استفاده از یکی از فرآیندهای اتصال زیر تولید می‌شوند:

· لحیم کاری تحت خلاء

· جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

· جوشکاری لیزری

· جوشکاری قوس آرگون

· پیوند نفوذی

در میان این موارد، فناوری صفحات سرد مایع لحیم‌کاری شده در خلاء به دلیل انعطاف‌پذیری ساختاری و راندمان تولید دسته‌ای، به طور گسترده برای محصولات آلومینیومی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۴. اصل لحیم کاری خلاء

لحیم‌کاری سخت در خلاء در داخل کوره خلاء بالا (≤5×10⁻³ pa) انجام می‌شود. این فرآیند شامل موارد زیر است:

· گرم کردن کل مجموعه تحت خلاء.

فلز پرکننده (لایه روکش مانند آلیاژ آلومینیوم ۴۳۴۳) در دمای تقریبی ۵۸۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد ذوب می‌شود.

· پرکننده مذاب از طریق خاصیت مویینگی به داخل شکاف‌های اتصال جریان می‌یابد.

· نفوذ بین پرکننده و فلز پایه رخ می‌دهد.

· تشکیل پیوند متالورژیکی پس از خنک شدن کنترل شده.

حذف فیلم اکسید در آلومینیوم

سطوح آلومینیومی به طور طبیعی یک لایه اکسید پایدار al₂o₃ تشکیل می‌دهند که مانع از خیس شدن می‌شود.

در لحیم کاری تحت خلاء:

· منیزیم (میلی گرم) به عنوان فعال کننده عمل می کند.

· mg با اکسیژن و رطوبت باقیمانده واکنش می‌دهد.

· بخار میلی‌گرم از زیر لایه اکسید پخش می‌شود.

تشکیل فاز al-si-mg با نقطه ذوب پایین، چسبندگی اکسید را از بین می‌برد.

· پرکننده مذاب سطح فلز پایه را خیس کرده و در امتداد آن پخش می‌شود.

این مکانیزم امکان اتصال تمیز و بدون شار را فراهم می‌کند و مقاومت در برابر خوردگی را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

۵. فرآیند تولید صفحات لحیم‌کاری شده سرد مایع

۵.۱ آماده‌سازی مواد اولیه

· تأیید ورق آلومینیوم روکش‌دار

· اندازه‌گیری ضخامت

· بازرسی تمیزی سطح

· بررسی انطباق با rohs/reach

· چربی‌زدایی و فعال‌سازی اسیدی

۵.۲ طراحی و شبیه‌سازی

· شبیه‌سازی حرارتی-سیالاتی CFD

· تحلیل ساختاری FEA

· پیش‌بینی تغییر شکل لحیم‌کاری سخت

· بهینه‌سازی dfm

۵.۳ قالب‌گیری و شکل‌دهی کانال

مهر زنی قالب مترقی کانال های داخلی را تشکیل می دهد.

پارامترهای معمول:

· عمق کانال: 0.8-5.0 میلی‌متر

· ارتفاع تیغه: ≤0.02 میلی‌متر

· تلرانس موقعیت: ±0.03 میلی‌متر

۵.۴ تمیزکاری دقیق

· چربی‌زدایی قلیایی

· تمیز کردن اولتراسونیک (40 کیلوهرتز، 50 درجه سانتیگراد)

· فعال سازی اسیدی

· از آب شستشو

· خشک کردن با هوای گرم

تمیزی برای اطمینان از خیس شدن مناسب لحیم کاری بسیار مهم است.

۵.۵ چیدن و مونتاژ

· ترازبندی لایه‌ها با استفاده از وسایل دقیق

· تلرانس موقعیت‌یابی ≤0.05 میلی‌متر

· فاصله لایه یکنواخت: 0.05-0.15 میلی‌متر

· تثبیت موقت

۵.۶ چرخه لحیم کاری در خلاء

· بارگیری در کوره

· خلاء ≤5×10⁻³ پاسکال

· گرمایش کنترل‌شده تا ۵۸۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد

· به مدت ۵ تا ۱۵ دقیقه نگه دارید

· خنک‌سازی کنترل‌شده برای به حداقل رساندن استرس

گرمایش یکنواخت، حداقل اعوجاج حرارتی و تشکیل یکنواخت اتصالات را تضمین می‌کند.

۵.۷ پردازش پس از لحیم کاری

· مسطح‌سازی هیدرولیکی

· ماشینکاری CNC پورت ها

· سنگ زنی سطح آب بندی (ra ≤1.6μm)

· پلیسه زدایی

· تمیزکاری نهایی

۶. مزایای فناوری صفحه سرد مایع لحیم‌کاری شده در خلاء

مزایای تولید ورق سرد مایع لحیم‌کاری شده در خلاء عبارتند از:

۶.۱ یکپارچگی ساختاری بالا

چندین اتصال را می‌توان همزمان در کل سطح لحیم‌کاری کرد. کوره امکان روی هم چیدن قطعات را فراهم می‌کند و امکان پردازش دسته‌ای را فراهم می‌کند.

۶.۲ مقاومت فشاری عالی

محصولات بدون تغییر شکل، فشار عملیاتی بالا را تحمل می‌کنند.

معمولی:

· فشار کاری: 1.0 مگاپاسکال

· فشار انفجار: ≥3.0 mpa

۶.۳ نشت‌ناپذیری عالی

میزان نشت هلیوم:

≤ ۱×۱۰⁻⁷ میلی بار · لیتر بر ثانیه

ایده‌آل برای سیستم‌های EV و HPC با طول عمر بالا.

۶.۴ حداقل تنش حرارتی

کل مجموعه به طور یکنواخت گرم می‌شود و اعوجاج و تنش پسماند را کاهش می‌دهد.

قابلیت کانال جریان پیچیده ۶.۵

لحیم کاری تحت خلاء موارد زیر را ممکن می‌سازد:

· کانال‌های مارپیچ

· کانال‌های موازی

· ساختارهای شاخه درختی

· شبکه‌های توری

توپولوژی پیچیده، توزیع جریان و یکنواختی حرارتی را بهبود می‌بخشد.

۶.۶ مقاومت عالی در برابر خوردگی

هیچ باقیمانده‌ی فلاکس استفاده نمی‌شود و از مشکلات خوردگی پس از فرآیند جلوگیری می‌کند.

۷. اعتبارسنجی عملکرد و کنترل کیفیت

۷.۱ آزمایش نشتی

· نگه داشتن فشار هوا

· آزمایش طیف‌سنج جرمی هلیوم

· آزمایش فشار آب (1.5 برابر فشار کاری)

۷.۲ تست عملکرد حرارتی

· بار حرارتی شبیه‌سازی شده (۵۰۰-۵۰۰۰ وات)

· اندازه‌گیری مقاومت حرارتی

· پذیرش: ≤ ارزش طراحی +10٪

۷.۳ آزمایش ساختاری

· آزمایش فشار ترکیدگی

· چرخه فشار (۱۰۰۰۰۰ چرخه)

· آزمایش ارتعاش (۱۰ تا ۵۰۰ هرتز)

۷.۴ قابلیت اطمینان محیطی

· اسپری نمک ≥۴۸ تا ۹۶ ساعت

· چرخه حرارتی

۸. کاربردهای صفحات لحیم‌کاری شده با مذاب سرد

به دلیل قابلیت اطمینان و انعطاف‌پذیری ساختاری، محلول‌های صفحه سرد مایع لحیم‌کاری شده به طور گسترده در موارد زیر استفاده می‌شوند:

· بسته‌های باتری خودروهای برقی

· ماژول‌های igbt

· اینورترهای پرقدرت

· خنک‌کننده مایع پردازنده گرافیکی/پردازنده

· سیستم‌های ارتباطی 5g

· تجهیزات لیزری

· سیستم‌های تصویربرداری پزشکی

در کاربردهای با چگالی توان بالا که خنک‌سازی با هوا کافی نیست، فناوری صفحات سرد مایع لحیم‌کاری شده در خلاء، مدیریت حرارتی پایدار و بلندمدتی را ارائه می‌دهد.

۹. محدودیت‌های لحیم‌کاری سخت در خلاء

لحیم‌کاری خلاء اگرچه بسیار مؤثر است، اما ملاحظاتی دارد:

· هزینه بالای سرمایه‌گذاری کوره

· فرآیند پرانرژی

· سختی مواد پس از چرخه دمای بالا کاهش می‌یابد

· نیاز به تمیزکاری دقیق و کنترل فرآیند دارد

با این حال، برای تولید با حجم متوسط تا زیاد با ساختارهای کانال پیچیده، مزایا بر این محدودیت‌ها غلبه می‌کنند.

یک صفحه لحیم‌کاری شده با روش مذاب سرد، یکی از قابل اعتمادترین و از نظر ساختاری پیشرفته‌ترین راه‌حل‌ها در فناوری مدرن صفحات مذاب سرد است.

لحیم کاری از طریق خلاء:

· سیستم‌های کانال چند لایه پیچیده محقق می‌شوند

· عملکرد آب‌بندی فشار بالا حاصل می‌شود

· مقاومت حرارتی پایین حفظ می‌شود

· مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته است

وقتی عملکرد حرارتی، قابلیت اطمینان ساختاری و عمر طولانی بسیار مهم هستند، یک صفحه سرد مایع لحیم‌کاری شده در خلاء، یک راه حل اثبات شده و مقیاس‌پذیر برای کاربردهای خنک‌کننده صنعتی و الکترونیکی دشوار ارائه می‌دهد.