基于高熱流密度元器件散熱的鋁合金冷板電子束焊接技術(shù)研究

徐鵬 馬杏

摘要：隨著5A06型鋁合金冷板在高熱流密度電子元器件散熱領(lǐng)域的使用頻率越來越高，使得真空電子束焊接技術(shù)在鋁合金冷板的生產(chǎn)中也得到了極大的發(fā)展和應(yīng)用。本文將從冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工裝設(shè)計、焊前準備及焊接參數(shù)等方面對5A06型鋁合金冷板的真空電子束焊接技術(shù)進行研究，以達到提高焊接質(zhì)量、焊接效率的目的，滿足和適應(yīng)新形勢下機械工程化應(yīng)用的需求。

關(guān)鍵字：高熱流密度元器件、真空電子束焊接技術(shù)、5A06型鋁合金、冷板

1? 引言

今天電子元器件的高速發(fā)展，很大程度上依托于集成電路技術(shù)和微電子機械（MEMS）技術(shù)的進步。電子元器件的總功率密度要求大幅度增長，同時要求物理尺寸盡可能減小，隨之而來的是電子元器件熱流密度必然增加?，F(xiàn)階段計算機CPU運行過程中產(chǎn)生的熱流密度已經(jīng)達到100W/cm?，半導(dǎo)體激光器甚至達到300W/cm?。與之矛盾的是，電子元器件的可靠性對環(huán)境溫度要求非常高，元器件溫度在70～80℃區(qū)間內(nèi)溫度每增加1℃，可靠性將下降5%。由此得出，高溫環(huán)境將是影響電子元器件性能、壽命的關(guān)鍵因素，所以對元器件進行高效的熱控制顯得尤為重要。

面臨嚴峻的形勢，傳統(tǒng)的被動溫控技術(shù)和強制風冷散熱技術(shù)已經(jīng)不能滿足高熱流密度元器件的散熱需求，正在接受著極大地挑戰(zhàn)。取而代之的，間接液體冷卻技術(shù)憑借自身優(yōu)勢在各個領(lǐng)域都得到了極大的應(yīng)用和發(fā)展。間接液體冷卻技術(shù)最大的優(yōu)點就是液體冷卻劑不與電子元器件發(fā)生直接接觸，而是通過熱傳導(dǎo)的方式，先把元器件的熱量傳遞給換熱器，再經(jīng)由換熱器中的冷卻工質(zhì)將熱量帶走。行業(yè)內(nèi)，通常把這類換熱器統(tǒng)稱為冷板。冷板的形式一般采用回旋狀或蜂窩狀的空芯結(jié)構(gòu)，冷卻工質(zhì)通常使用的是水、碳氟化合物、硅脂或己二醇等。冷板的材質(zhì)一般采用鋁合金進行加工，其中以5A06型鋁合金的應(yīng)用最為廣泛。而5A06型鋁合金冷板因其水道夾層的薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計，如果采用預(yù)埋水管焊接或整體釬焊方式都需要較大空間，散熱效率比較差，水道的密封性也難以得到有效保證;如果采用鎢極氬弧焊的方式，還存在著焊接變形大、彎曲、同軸度差等問題，質(zhì)量也不能得到很好的保障。

而本文使用的真空電子束焊接技術(shù)通過其焊接速度快、能量集中、熱影響區(qū)小、材料種類多、焊接變形小、空間適應(yīng)性強等優(yōu)點，使之能夠很好地滿足多種金屬材料焊接的高精度、低變形、高附加值的要求，突破一些難熔性金屬焊接技術(shù)。由此本文將使用真空電子束焊接技術(shù)來實現(xiàn)高熱流密度元器件散熱的鋁合金冷板的組件焊接。

2? 試驗材料、設(shè)備及方案

2.1 試驗材料

本文主要研究對象為工業(yè)冷板焊接項目中的5A06型鋁合金冷板的真空電子束焊接技術(shù)，冷板的基體厚度為29mm，水道蓋板的厚度為2.5mm，要求焊接完成后冷板內(nèi)充注1.5MPa氮氣進行水檢，10min無泄漏表明合格。

本文選用的5A06型鋁合金材料為Al-Mg防銹鋁材，具有較高的強度、耐蝕性，同時還有良好的可切削性和可焊接性。

2.2 試驗設(shè)備

本文真空電子束焊接采用的試驗設(shè)備是桂林獅達公司生產(chǎn)THDW-8型電子束焊機，如圖1。主要技術(shù)參數(shù)如下：

加速電壓：85kV

電子束流：100mA

電子束功率：8KW

2.3 試驗方案

本文使用的冷板包括冷板基體與水道蓋板兩個部分，冷板的生產(chǎn)過程包括零件加工、清洗、裝配、電子束焊和檢漏等工序，生產(chǎn)流程圖如圖2所示：

3? 試驗結(jié)果與分析

3.1 冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

通過前期焊接試驗可得如下結(jié)論：（1）當單一平面上焊縫過多時，焊接難度大且會產(chǎn)生較大的焊接變形，綜合考慮冷板強度、焊接難度及焊接變形等因素，在結(jié)構(gòu)簡單的多流道并聯(lián)的冷板設(shè)計中，應(yīng)盡量采用深孔連接，然后在孔兩端焊接堵頭或者密封條實現(xiàn)密封，如圖3所示，這樣可以減少同一平面的焊縫數(shù)量，

降低焊接難度，減少焊接變形;（2）水道蓋板與基體水道的裝配間隙應(yīng)控制在0.02～0.04mm，這樣在焊接過程中不會產(chǎn)生漏束現(xiàn)象，保證焊接質(zhì)量;（3）對于有圓角過渡的水道蓋板，圓角半徑應(yīng)大于R3，以防止運動系統(tǒng)差補精度不足帶來的焊縫偏離;（4）根據(jù)冷板的設(shè)計要求，選用角接頭設(shè)計形式，半臺階根部到臺階邊緣為0.5mm，可以有效避免后續(xù)在陽極氧化工序中酸堿液的大量殘留，減少長期工作下水道腐蝕的隱患。

基于上述試驗結(jié)果，確定冷板基體與水道蓋板如圖4所示。

3.2冷板基體與水道蓋板加工冷板的加工

冷板基體的水道加工根據(jù)設(shè)計選擇數(shù)銑進行加工，水道蓋板加工前需進行熱較平，再由數(shù)銑或線切割加工成型，數(shù)銑加工精度高，但是單件加工效率較差;線切割的加工精度和效率都比較高，但是加工面會形成氧化層，需要通過化學(xué)清洗的方式去除。

3.3 焊接工裝的設(shè)計

為了使工件準確裝夾并對中，有必要采用焊接工裝進行裝夾定位?？紤]到電子束非常容易受到散電磁場的干擾，從而影響焊接質(zhì)量，因此焊接工裝必須選用非磁性材料制作。工裝材料在實際生產(chǎn)中多選用2A12型或5A06型鋁合金材料，本次研究選用的是5A06型鋁合金。為了彌補鋁合金螺紋的強度缺陷，可在焊接工裝板上加裝重型不銹鋼插銷螺套來提高抗拉和抗扭強度。

3.4 冷板的清洗與裝配

鋁合金材料在進行焊接時，要求焊前必須嚴格清除工件焊口表面的氧化膜和油污，清洗的質(zhì)量將直接影響焊接的質(zhì)量。本次試驗首先用工業(yè)清洗劑進行除油操作，然后用10%的NaOH水溶液進行浸洗7min，再用檸檬酸水煮進行中和光化，中和光化后用清水沖洗，清洗的作用是去除殘留在零件表面的酸液，最后使用壓縮空氣將零件吹至干燥。工件在經(jīng)過清洗工序后會重新形成氧化膜，所以從工件清洗完成到進行焊接前的存放時間應(yīng)盡量縮短，一般應(yīng)在清洗完成后的4～8小時內(nèi)施焊。

清洗完成后的工件在裝配過程中，不得用手觸碰或不清潔的工具接觸焊縫，裝配前需用丙酮擦拭焊縫表面，然后將水道蓋板與冷板基體裝配，如焊縫接口不平，可用清潔的紫銅塊輕輕敲擊至焊縫接口平整。

3.5 電子束焊接

對于厚度超過5～10mm的厚大鋁件，進行焊接前必須預(yù)熱，可以使焊口附近溫度達到所需要的焊接溫度，預(yù)熱的目的是減少變形、氣孔等缺陷。預(yù)熱時，將冷板放入烘箱中，加熱到150℃，保溫15min。將預(yù)熱后的冷板安裝在焊接工裝上，利用定位塊和壓條進行定位。將工件送入焊室，抽真空。

在焊接前根據(jù)資料設(shè)計了專題試驗，試驗主要研究加速電壓70kV、焊接速度700mm/min、表面聚焦時，不同焊接電流與焊縫熔深的關(guān)系，通過試驗，確定了熔深與焊接電流的關(guān)系如表1所示：

· 為了防止焊接中水道蓋板局部翹起，首先要在焊縫上對稱選取若干小段，先用10mA電流進行局部焊接固定，然后用15mA電流對整條焊縫進行焊接。焊接完成后利用電子束掃描焊接或者將焊縫用電子束再熔化一次，有利于消除焊縫氣孔，改善焊縫成形，如圖5所示。

將冷板從焊室中取出，在環(huán)境溫度中自然冷卻，然后安裝寶塔接頭，連接氮氣瓶，緩慢加壓至1.5MPa，水檢10min后無氣泡溢出，如圖6所示，漏率完全可以滿足技術(shù)要求。

4? 總結(jié)

通過試驗得到如下結(jié)論：

（1）冷板焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時需盡量減少同一平面的焊縫數(shù)量以減少焊接變形，水道蓋板與基體水道的裝配間隙應(yīng)控制在0.02～0.04mm，以避免出現(xiàn)漏束問題;

（2）水道蓋板加工前需進行熱較平，線割后必須采用化學(xué)方法去除氧化層;焊接工裝必須選用非磁性材料以防止電子束出現(xiàn)偏離;

（3）冷板在裝配過程中，必須注意防護，以免對焊縫造成污染，若焊縫接口不平，可用清潔的紫銅塊輕輕敲擊水道蓋板至焊縫接口平整;

（4）為防止焊接中水道蓋板局部翹起，需要對稱選取若干小段，采用10mA電流進行局部焊接固定，然后用15mA電流對整條焊縫進行焊接。焊接完成后利用電子束掃描焊接或者將焊縫用電子束再熔化一次，以消除焊縫氣孔;

（5）焊接完成后自然冷卻至室溫，充入1.5MPa的氮氣，水檢10min發(fā)現(xiàn)無氣泡溢出，漏率滿足技術(shù)要求。

參考文獻：

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