Tấm tản nhiệt lỏng hàn: Hướng dẫn kỹ thuật về các giải pháp tản nhiệt hiệu suất cao

Khi mật độ công suất tiếp tục tăng trong các hệ thống xe điện, điện toán hiệu năng cao, lưu trữ năng lượng và điện tử công suất, các tấm làm mát bằng chất lỏng đã trở thành một trong những giải pháp làm mát hiệu quả nhất hiện có.

Trong số các công nghệ sản xuất khác nhau, tấm làm mát bằng chất lỏng hàn nổi bật nhờ độ tin cậy về cấu trúc, hiệu suất làm kín và khả năng hỗ trợ các kênh dẫn dòng chảy bên trong phức tạp.

Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan chuyên nghiệp về:

• Lựa chọn vật liệu (đồng so với nhôm)

• Nguyên lý hàn chân không

• Quy trình sản xuất

• Ưu điểm của công nghệ tấm làm mát bằng chất lỏng hàn chân không

• Xác thực hiệu suất và kiểm soát chất lượng

• các kịch bản ứng dụng

1. Tấm làm mát bằng chất lỏng hàn là gì?

Tấm tản nhiệt lỏng hàn là một linh kiện nhiệt bằng kim loại nhiều lớp được sản xuất bằng cách xếp chồng và ghép nối các tấm kim loại mỏng—thường là hợp kim nhôm—thông qua phương pháp hàn chân không. Quá trình này tạo ra các kênh làm mát bên trong kín có khả năng chịu được áp suất cao và lưu lượng nhiệt cao.

Không giống như các tấm được gia công hoặc hàn ma sát, tấm hàn nguội bằng phương pháp hàn chân không tạo ra liên kết luyện kim giữa các lớp bằng cách sử dụng kim loại phụ có điểm nóng chảy thấp hơn vật liệu nền. Kim loại nền vẫn ở trạng thái rắn, trong khi chất hàn nóng chảy và chảy theo hiện tượng mao dẫn để tạo thành các mối nối có độ bền cao.

Các đặc điểm chính bao gồm:

• Độ bền liên kết luyện kim đạt tới 80–95% so với kim loại nền

• Tốc độ rò rỉ ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s

• Khả năng chịu áp suất cao (áp suất nổ ≥ 3 lần áp suất làm việc)

• Điện trở nhiệt giao diện thấp

• Khả năng thiết kế kênh dẫn dòng đa lớp phức tạp

2. Lựa chọn vật liệu: nhôm so với đồng

Có hai loại vật liệu chính được sử dụng trong các tấm làm mát bằng chất lỏng:

2.1 hợp kim nhôm

Nhôm được sử dụng rộng rãi vì:

• Mật độ thấp hơn (khoảng 1/3 so với đồng)

• Chi phí nguyên vật liệu thấp hơn

• Khả năng dẫn nhiệt tốt (150–200 W/m·K)

• Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời

• Tương thích với hàn chân không

Vật liệu điển hình:

• Tấm nhôm mạ 3003/4343

• Nhôm 6061 dùng cho cấu trúc đế

Nhôm là giải pháp được ưu tiên lựa chọn trừ khi cần khả năng tản nhiệt cực cao.

2.2 đồng

Đồng mang lại:

• Độ dẫn nhiệt lên đến 400 W/m·K

• Khả năng tản nhiệt tuyệt vời

Tuy nhiên:

• Trọng lượng cao hơn đáng kể

• Chi phí cao hơn

• Xử lý khó khăn hơn

Do đó, đồng thường được dành cho các ứng dụng có thông lượng cao như hệ thống laser hoặc các mô-đun công suất cực lớn.

3. Các công nghệ hàn được sử dụng trong tấm làm mát bằng chất lỏng

Các tấm tản nhiệt bằng nước thường được sản xuất bằng một trong các quy trình ghép nối sau:

• Hàn chân không

• Hàn ma sát khuấy

• Hàn laser

• Hàn hồ quang argon

• Liên kết khuếch tán

Trong số đó, công nghệ hàn chân không kết hợp tấm làm mát bằng chất lỏng được sử dụng rộng rãi cho các sản phẩm nhôm nhờ tính linh hoạt về cấu trúc và hiệu quả sản xuất hàng loạt.

4. Nguyên lý hàn chân không

Hàn chân không được thực hiện bên trong lò chân không cao (≤5×10⁻³ pa). Quy trình bao gồm:

• Làm nóng toàn bộ cụm chi tiết trong môi trường chân không.

• Kim loại phụ (lớp phủ như hợp kim nhôm 4343) nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 580–600°C.

• Vật liệu hàn nóng chảy chảy vào các khe hở mối nối nhờ hiện tượng mao dẫn.

• Quá trình khuếch tán xảy ra giữa chất độn và kim loại nền.

• Liên kết luyện kim hình thành sau quá trình làm nguội có kiểm soát.

loại bỏ lớp màng oxit trên nhôm

Bề mặt nhôm tự nhiên hình thành một lớp oxit al₂o₃ ổn định, có tác dụng ngăn cản sự thấm ướt.

trong quá trình hàn chân không:

• Magiê (mg) đóng vai trò là chất kích hoạt.

• Mg phản ứng với oxy và hơi ẩm còn sót lại.

• Hơi mg khuếch tán dưới lớp màng oxit.

• Sự hình thành pha al-si-mg có điểm nóng chảy thấp làm phá vỡ sự bám dính của oxit.

• Chất độn nóng chảy thấm ướt và lan rộng dọc theo bề mặt kim loại nền.

Cơ chế này cho phép hàn sạch, không cần chất trợ hàn và cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn.

5. Quy trình sản xuất tấm làm mát bằng chất lỏng hàn

5.1 Chuẩn bị nguyên liệu

• Kiểm tra tấm nhôm mạ

• Đo độ dày

• Kiểm tra độ sạch bề mặt

• Kiểm tra tuân thủ RoHS/REACH

• Tẩy dầu mỡ và kích hoạt axit

5.2 Thiết kế và mô phỏng

• Mô phỏng nhiệt động lực học chất lỏng CFD

• Phân tích cấu trúc fea

• Dự đoán biến dạng khi hàn

• Tối ưu hóa dfm

5.3 Dập khuôn và tạo rãnh

Công nghệ dập khuôn liên tục tạo ra các rãnh bên trong.

các thông số điển hình:

• Độ sâu kênh: 0,8–5,0 mm

• Chiều cao gờ: ≤0,02mm

• Sai số vị trí: ±0,03mm

5.4 Làm sạch chính xác

• Tẩy dầu mỡ bằng kiềm

• Vệ sinh bằng sóng siêu âm (40kHz, 50°C)

• kích hoạt axit

• rửa bằng nước

• Sấy khô bằng khí nóng

Vệ sinh sạch sẽ là yếu tố cực kỳ quan trọng để đảm bảo quá trình hàn diễn ra suôn sẻ.

5.5 Xếp chồng và lắp ráp

• Căn chỉnh lớp bằng các dụng cụ định vị chính xác

• Sai số định vị ≤0,05mm

• Khe hở giữa các lớp đồng đều: 0,05–0,15mm

• cố định tạm thời

5.6 Chu trình hàn chân không

• Nạp vào lò nung

• Chân không ≤5×10⁻³ pa

• Gia nhiệt có kiểm soát ở nhiệt độ 580–600°C

• Giữ trong 5–15 phút

• Làm mát có kiểm soát để giảm thiểu ứng suất

Hệ thống gia nhiệt đồng đều đảm bảo giảm thiểu biến dạng nhiệt và hình thành mối nối đều đặn.

5.7 Xử lý sau khi hàn

• làm phẳng bằng thủy lực

• Gia công CNC các cổng

• Mài bề mặt làm kín (ra ≤1,6μm)

• loại bỏ bavia

• vệ sinh cuối cùng

6. Ưu điểm của công nghệ tấm làm mát bằng chất lỏng hàn chân không

Những ưu điểm của phương pháp chế tạo tấm dẫn nhiệt bằng hàn chân không bao gồm:

6.1 Độ bền cấu trúc cao

Nhiều mối hàn có thể được thực hiện đồng thời trên toàn bộ bề mặt. Lò nung cho phép xếp chồng các mối hàn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý theo lô.

6.2 Khả năng chịu áp lực tuyệt vời

Sản phẩm có khả năng chịu được áp suất hoạt động cao mà không bị biến dạng.

đặc trưng:

• Áp suất làm việc: 1,0 mpa

• Áp suất nổ: ≥3,0 mpa

6.3 Khả năng chống rò rỉ vượt trội

Tốc độ rò rỉ khí heli:

≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s

Lý tưởng cho các hệ thống xe điện và điện toán hiệu năng cao có tuổi thọ cao.

6.4 ứng suất nhiệt tối thiểu

Toàn bộ cụm chi tiết được làm nóng đồng đều, giảm thiểu biến dạng và ứng suất dư.

6.5 Khả năng kênh dẫn dòng phức tạp

Hàn chân không cho phép:

• Kênh ngoằn ngoèo

• Kênh song song

• Cấu trúc cành cây

• mạng lưới

Cấu trúc phức tạp giúp cải thiện sự phân bố dòng chảy và tính đồng nhất nhiệt độ.

6.6 Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời

Không sử dụng chất trợ hàn dư thừa, ngăn ngừa các vấn đề ăn mòn sau quá trình gia công.

7. Xác thực hiệu suất và kiểm soát chất lượng

7.1 Kiểm tra rò rỉ

• Giữ áp suất không khí

• Thử nghiệm máy đo phổ khối lượng heli

• Kiểm tra áp suất nước (1,5 lần áp suất làm việc)

7.2 Kiểm tra hiệu năng tản nhiệt

• Tải nhiệt mô phỏng (500–5000W)

• Đo điện trở nhiệt

• Mức chấp nhận: ≤ giá trị thiết kế +10%

7.3 Kiểm tra cấu trúc

• Kiểm tra áp suất nổ

• Chu kỳ áp suất (100.000 chu kỳ)

• Kiểm tra độ rung (10–500Hz)

7.4 Độ tin cậy về môi trường

• Tiếp xúc với hơi muối trong ≥48–96 giờ

• Chu kỳ nhiệt

8. Ứng dụng của tấm làm mát bằng chất lỏng hàn

Nhờ độ tin cậy và tính linh hoạt về cấu trúc, các giải pháp tấm làm mát bằng chất lỏng hàn được sử dụng rộng rãi trong:

• Bộ pin xe điện

· Mô-đun IGBT

• Biến tần công suất cao

• Hệ thống làm mát bằng chất lỏng cho GPU/CPU

• Hệ thống thông tin liên lạc 5G

• Thiết bị laser

• Hệ thống hình ảnh y tế

Trong các ứng dụng mật độ công suất cao, nơi làm mát bằng không khí không đủ, công nghệ tấm làm mát bằng chất lỏng hàn chân không cung cấp khả năng quản lý nhiệt ổn định và lâu dài.

9. Những hạn chế của phương pháp hàn chân không

Mặc dù rất hiệu quả, hàn chân không vẫn có những điểm cần lưu ý:

• Chi phí đầu tư lò nung cao

• quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng

• Độ cứng vật liệu giảm sau chu kỳ nhiệt độ cao

• Yêu cầu kiểm soát quy trình và vệ sinh nghiêm ngặt.

Tuy nhiên, đối với sản xuất quy mô trung bình đến lớn với cấu trúc kênh phức tạp, lợi ích mang lại vượt trội hơn so với những hạn chế này.

Tấm tản nhiệt lỏng hàn là một trong những giải pháp đáng tin cậy và tiên tiến nhất về mặt cấu trúc trong công nghệ tấm tản nhiệt lỏng hiện đại.

thông qua phương pháp hàn chân không:

• Các hệ thống kênh đa lớp phức tạp được hiện thực hóa

• Đạt được hiệu suất làm kín ở áp suất cao.

• Duy trì điện trở nhiệt thấp

• Khả năng chống ăn mòn được tăng cường

Khi hiệu suất tản nhiệt, độ tin cậy về cấu trúc và tuổi thọ cao là yếu tố quan trọng, tấm tản nhiệt chất lỏng hàn chân không cung cấp một giải pháp đã được chứng minh và có khả năng mở rộng cho các ứng dụng làm mát công nghiệp và điện tử đòi hỏi khắt khe.