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水冷板产品解决方案

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水冷板原理:水冷板散热的原理其实简单,将需散热的热阻通过螺栓紧固于水冷板表面,水冷板内部为流道结构,设有进出口,通过管道与外部水冷泵循环系统连接,将水冷板吸收的芯片热量,通过液体的循环,带到面积更大、性能更强的外部散热装置,集中进行散热。冷却后的液体再次回流到水冷板带走多余热量,如此循环往复,继以控制电子元器件的工作温度。

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应用领域:水冷板又叫水冷散热器,其热传导率远远高于传统风冷方式,通常用在一些大功率、高端设备上面,能够起到非常好的散热效果,在激光、发射机、5G通信、军工、医疗、电力电子、工业设备、半导体、新能源汽车等行业有着广泛的应用。


水冷板产品解决方案

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水冷板材质一般选择导热性能比较好的铝或铜,而制造水冷板的关键工艺在密封流道结构的实现,传统采用冷板两侧打深孔打通流道密封形成循环流道,或机加流道和盖板加密封圈用螺丝固定,目前,随着工艺的升级,逐渐形成如下三种主流的水冷板制造工艺:

1.  型材+FSW焊接:

利用挤压工艺将冷板流道直接成型,再通过机加方式打通循环,通常采用摩擦焊接、钎焊焊接等焊接工艺进行密封,此工艺生产效率高,成本低;不适用于散热密度过大,表面不适合太多螺丝孔而限制水道走向或降低可靠性。主要应用于:动力电池水冷散热加热装置、分水盒以及标准功率模块一体化散热产品。

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2.  机加+FSW焊接:

水冷板采用机加的方式,内部流道尺寸、路径均可自由设计,适合功率密度较大、热源布局不规则、空间受限的热管理产品,主要应用于:风电变流器、光伏逆变器、IGBT、电机控制器、激光器、储能电源、超算服务器等领域的散热产品设计上。

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 3.  压铸+FSW焊接:

内压铸工艺是非常成熟且应用广泛的成型方式,随着新能源汽车的快速发展, 成为电机控制器、动力电池包托盘及散热箱体成批量生产的首选方式,但需在工艺上控制压铸杂质、汽孔等问题,品检严格把关,而对于焊接安全性方面,摩擦焊焊接工艺,有独特优势,固相焊接,无气孔,易表面处理,从焊接工艺上提高了水冷板安全性,避免导致漏水问题。

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1.  相对传统埋铜管水冷板:

搅拌摩擦焊水冷板具有更大的流道,进一步降低热阻。尤其在应对复杂流道的及某些有高低差的流道更具有灵活性。

2.  相对传统的拼装螺丝固定水冷板:搅拌摩擦焊水冷板具有更安全稳定的散热性能。

3.  相对于钎焊水冷板:

搅拌摩擦焊具有焊接工艺简洁,生产效率高,焊缝强度高的优点,且可以避免高温熔焊类易出现气孔,漏液等问题。

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1.  工艺方案:

水冷板设计开发过程,我们首先要了解客户的产品需求和水冷系统的工况信息,综合考虑如下制造工艺因素,给出最佳的水冷板设计制造方案。

制造工艺根据不同制造工艺的特点,结合产品的功率和热阻分布等工况信息,综合考虑成本、散热效率等因素选择一种合适的工艺;

材质选择综合考虑的导热系数、硬度,抗腐蚀性、耐磨性、经济实用性等因素,一般考虑铝合金和铜合金作为水冷板材料,以6系铝为主。

表面处理根据产品对硬度、耐磨型、耐腐蚀、抗氧化、导电性等要求,选择合适的表面处理工艺,如阳极氧化,导电氧化,热处理等。

2.  流道设计:

水冷板工艺方案确定后,根据制造工艺和产品工况、热阻分布等因素设计冷板流道结构,冷板大小、流道结构、进出口位置要根据客户液冷系统工况要求设计,另外,还要满足后面的焊接工艺要求。

说明1:需要了解的产品工况信息包括:

1.使用工况,包括但不限于进、出口冷媒温度、压差与流量;

2.散热功率,最高工作温度;

3.热阻分布;

4.散热器最大重量要求、允许的空间尺寸等。

说明2:流道设计需要满足如下搅拌摩擦焊工艺要求:

1.盖板焊接结构:主要有搭接、对搭接、非平面三种焊接结构,对搭接为常规的水冷板焊接结构,焊接效果最佳,盖板搭接台阶不小于1mm,避免焊接过程压塌;

2.盖板加工余量:因为焊接完成后要做表面铣平,所以盖板厚度一般要留有CNC加工余量,一般的盖板厚度为2~3mm,留有0.5mm左右的余量,可以满足1兆帕内的压力。

3.焊缝边缘余量:焊缝边缘要留有搅拌摩擦焊搅拌头余量,一般3mm的盖板,边缘至少需要留5mm余量,避免边缘焊接压塌,设计前最好与焊接工艺方沟通下。

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3.  仿真分析及优化:

对流道设计进行热传导、流速、热阻等仿真分析,并参考分析结果优化设计,电脑仿真分析对于在设计过程的初始阶段实施详细的分析非常有效,如模仿空气、液体、热在冷板周边的流动。仿真器能获得非常可靠的数据结果。该方法既能节省时间有可能降低成本;仿真分析仅用于前期设计分析优化,后期还需要通过工况实测调试来进一步校正优化。


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1.  材料加工:对压铸/型材/材料的机加工,加工完成流道与盖板的严密贴合,以便焊接工序的顺利进行和焊接效果,水冷板产品是控制系统的核心部件,对其内部流道结构、表面粗糙度及零件精度有较高的要求。

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2.  搅拌摩擦焊:搅拌摩擦焊基于金属材料极端的塑性变形。当搅拌针缓慢插入金属母材中时,因摩擦而生热而由搅拌头施加的压力导致金属机械变形,形成致密的焊缝并实现同质晶粒结构。与传统金属熔化焊相比,搅拌摩擦焊的优点有:高强度、少泄露、少变形。该焊缝几乎无气孔、泄露,且接头强度远高于熔化焊。这工艺非常适合水冷散热器的焊接成型。 

3.  工件细节加工及表面铣平:摩擦焊接过程焊缝有一定的下压量和边缘毛刺,焊接之前要留加工余量,焊接后要铣平,另外有些工件,限于产品薄壁结构需要和打孔需要,一般需要先焊接流道毛坯,焊接完成后再加工薄壁、打孔等部分,以避免成品焊接过程中薄壁边缘压塌。

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4.  表面处理:表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。晶成公司拥有熟悉产品热处理的专家团队,可针对不同材料、搅拌摩擦焊接机理、产品使用要求、冷媒介质、产品使用环境等不同要求,实施有效的产品表面处理手段。包括:冷板流道表面强化处理、待焊区域化学处理、产品表面特定区域强化处理、产品表面电化学处理等方法。

5.  密封性及散热性能测试:在产品使用领域,晶成公司开发了水冷板产品使用属性测试手段,包括:气密测试(水压测试)、产品综合属性测试(流阻、热阻)、表面粗糙度测试、产品使用极限爆破性测试等手段。

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机加微通道水冷板

通过在基板中CNC铣削加工形成自定义的流道,流道中布置肋片,采用搅拌摩擦焊焊合密封,对于高耐压条件,高功率密度的使用环境尤其适用。搅拌摩擦焊水冷板的焊接强度相当于母材的90%以上,耐压10bar~30bar,甚至可以更高。

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型材微通道水冷板

这款搅拌摩擦焊水冷板基板材质为AL6061,盖板采用铝型材,利用铝型材的翅片作为流道中的肋片,焊合后形成一个整体,且为双面散热结果。无论散热效率还是空间节约,都极富成效。对于IGBT,TEC等高功率高密度的散热领域,这是个很好设计选择。

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超薄硬质水冷板

在基板上通过深孔钻形成纵向水道,再在两端横向间隔铣通,再利用搅拌摩擦焊将水道密封连接。在向更耐压强度与更薄厚度方向,成份基本接近的材质以及无添加焊料的搅拌摩擦焊工艺,使硬质阳极的表面处理工艺应用变成了可能。通过硬质阳极处理后水冷板,可使光纤激光器更能经受恶劣使用环境与长时间流体冲刷、磨蚀的考验。

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水冷箱体类

一体成型的腔体具有更高的结构强度与电磁疲敝性能。在箱体底面CNC加工出水道,再用搅拌摩擦焊焊接,使用箱体集成了水冷板与腔体的双重功能。搅拌摩擦焊水冷腔体对于军事设备,激光设备,汽车控制器等是一个良好的选择。

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1.  业务范围:

水冷板定制业务:包括设计开发、打样、包工包材料、CNC加工+搅拌摩擦焊、表面处理、检测等,可提供的搅拌摩擦焊水冷板/水冷散热器产品整体解决方案。

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2.  业务流程

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加工中心车间                                                                    搅拌摩擦焊接车间

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水冷板打样                                               水冷板焊接                                               水冷板焊接