微通道冷板低溫釬焊技術(shù)研究

尹恩懷　安占軍　李超

【摘 要】本文采用Sn/Pb共晶釬料，研究了低溫空氣爐釬焊鍍銀鋁合金（3A21）微通道液冷冷板的工藝技術(shù)，微通道寬度為0.5mm，通過(guò)剪切力學(xué)、X射線、水壓密閉性三種手段對(duì)冷板的焊接質(zhì)量進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面釬縫的剪切強(qiáng)度為44MPa、冷板流道內(nèi)未出現(xiàn)堵塞和液體泄漏現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】微通道冷板；鋁合金；低溫釬焊

0 引言

隨著雷達(dá)等電子設(shè)備逐漸向小型化、集成化發(fā)展，各種元器件的集成度越來(lái)越高，封裝密度越來(lái)越大，導(dǎo)致電子設(shè)備的熱流密度急劇上升。傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)已無(wú)法滿足高熱流密度器件的散熱需求，需采用更為高效的液冷冷卻技術(shù)，而液冷冷卻技術(shù)的關(guān)鍵部件為液冷冷板，其質(zhì)量的高低直接影響到整部雷達(dá)工作的可靠性[1-3]。微通道液冷冷卻系統(tǒng)能夠極大地增大微通道散熱器單位體積的換熱面積，從而大幅提高電子設(shè)備的散熱能力，其通常先采用機(jī)械加工流道結(jié)構(gòu)，再通過(guò)焊接的方式將流道密封，焊接方式通常有真空釬焊、真空擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊等，對(duì)于上述三種焊接方法通常情況下可以滿足雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)常規(guī)冷板的質(zhì)量要求，但產(chǎn)品在預(yù)研階段，往往批量小、類型多，尤其對(duì)微通道冷板來(lái)說(shuō)，其體積僅有常規(guī)冷板的1/5左右，采用上述三種加工手段成本較高。為此，本文作者采用一種成本低并滿足產(chǎn)品測(cè)試階段質(zhì)量要求的微通道冷板成型技術(shù)，從而有效降低預(yù)研階段微通道冷板的加工成本、提高效率、縮短研產(chǎn)周期。因此，本文重點(diǎn)研究了低溫空氣爐釬焊成型微通道冷板的工藝技術(shù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

微通道冷板材質(zhì)為鋁合金（牌號(hào)：3A21）。釬料采用美國(guó)樂(lè)泰（LICTITE）SN63CR32AGS89.5型錫焊膏。由于錫焊膏在鋁合金表面不潤(rùn)濕，無(wú)法直接釬焊鋁合金，因此本文采用在鋁合金表面鍍銀的方法來(lái)滿足低溫錫焊條件，鍍銀層厚度為15μm（Cu15Ag15）。

1.2 冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用UG7.0完成三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1（a）所示，冷板內(nèi)部流道由于無(wú)法直接成型，將冷板拆分為槽板和蓋板兩部分，槽板見(jiàn)圖1（b）所示，蓋板為厚度3mm的平板，流道寬度為0.5mm，微通道截面尺寸為0.5×3mm，筋板厚度為1mm，槽板和蓋板均采用數(shù)控機(jī)床加工成型。

1.3 冷板成型與檢測(cè)設(shè)備

微通道冷板加工采用數(shù)控機(jī)床加工，加工刀具的刃徑為0.5mm、刃長(zhǎng)為5mm，加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速16500r/min，進(jìn)給速度200mm/min，切削深度0.16mm。焊接采用8Kw箱式電阻爐，焊接參數(shù)為260℃，當(dāng)爐溫穩(wěn)定在260℃時(shí)入爐焊接，保溫時(shí)間為30mim。冷板流道內(nèi)部質(zhì)量采用德國(guó)依科視朗國(guó)際有限公司（YXLON）的Y.Cougar SMT型X射線檢測(cè)儀；水壓密閉性測(cè)試采用上海金威工具公司的手動(dòng)試壓泵。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微通道冷板焊接成型

冷板焊接部位需要預(yù)置錫焊膏，本文設(shè)計(jì)并制備了方格陣列的網(wǎng)板作為釬料預(yù)置輔助工具，見(jiàn)圖2（a）所示，網(wǎng)板采用厚度為0.15mm的不銹鋼薄板經(jīng)過(guò)激光切割而成，可有效保證焊錫膏預(yù)置的均勻性，焊錫膏均勻預(yù)置在蓋板一側(cè)，效果參見(jiàn)圖2（b）所示。

將涂有釬料的冷板槽板和蓋板按照?qǐng)D3（a）所示裝卡，裝卡時(shí)蓋板在下，槽板在上，防止釬料熔化后流入流道內(nèi)而堵塞，焊接采用剛性的U-型工裝裝卡；焊接溫度為260℃，保溫30min，見(jiàn)圖4（a）插圖所示，當(dāng)爐溫穩(wěn)定在260℃時(shí)，將裝卡好的冷板放入爐中，直至焊接完成，隨后從爐膛取出空冷至室溫，焊接成型后的冷板如圖4（a）所示。冷板焊接完成后，采用機(jī)械加工的方式將外型尺寸加工到設(shè)計(jì)尺寸，如圖4（b）所示。

2.2 微通道冷板測(cè)試

1）釬縫力學(xué)性能檢測(cè)

檢驗(yàn)冷板釬縫的強(qiáng)度，將搭接的力學(xué)性能試片隨爐進(jìn)行焊接，試片尺寸為50×10×3mm，搭接寬度約為3mm，參加圖5（a）所示，隨爐試片數(shù)量為四組，經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試后平均值為42MPa，斷裂后試樣如圖5（b）所示。

2）X射線檢測(cè)

采用X射線對(duì)冷板內(nèi)部流道情況進(jìn)行分析，參見(jiàn)圖6所示，流道內(nèi)部影像襯度未出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明冷板通道內(nèi)部無(wú)雜物及釬料堆積，流道沒(méi)有出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。另外，流道焊接面（即襯度相對(duì)較暗區(qū)域）出現(xiàn)白色斑狀影像，這可能歸結(jié)于Sn/Pb焊料中的釬劑殘留，其對(duì)冷板密閉性的影響需進(jìn)一步進(jìn)行水壓密閉性測(cè)試。

3）水壓密閉性檢測(cè)

水壓測(cè)試參數(shù)為：0.8 MPa，保壓30min。結(jié)果表明，在規(guī)定的壓力和保壓時(shí)間下，冷板無(wú)滲水、漏水現(xiàn)象，說(shuō)明冷板的密閉性完好。

3 結(jié)論

1）微通道冷板焊前應(yīng)進(jìn)行鍍銀處理，并采用Sn/Pb共晶釬料。

2）通過(guò)剪切力學(xué)、X射線、水壓密閉性三種手段對(duì)冷板的焊接質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：釬縫的剪切強(qiáng)度為44MPa，冷板流道內(nèi)未出現(xiàn)堵塞及液體泄漏現(xiàn)象。

3）在空氣爐中實(shí)現(xiàn)微通道液冷冷板的焊接，該方法效率高、成本相對(duì)較低。

4）采用低溫釬焊技術(shù)焊接的微通道冷板，可以滿足預(yù)研小批量產(chǎn)品的測(cè)試需求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋君.相控陣?yán)走_(dá)冷板的加工技術(shù)研究[J].電子機(jī)械工程，2002，18（3）：59-62.

[2]張兆光.固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)冷卻技術(shù)探討[J].現(xiàn)代雷達(dá)，1996，18（1）：88-95.

[3]安占軍.冷板加工工藝研究[C]//第十七屆全國(guó)釬焊及特種連接技術(shù)交流會(huì)論文集.P394-395.

[]4張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].北京：華中師范大學(xué)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：湯靜]