盘点液冷板常见焊接工艺及缺陷

导读：液冷板是一种利用液体作为传热介质，通过在流道流动来实现传递的非接触式液体冷却技术，这种技术应用于高功率密度设备的散热，如：可再生能源系统、医疗设备、IGBT、激光器、半导体、工业电源、军工国防系统、航空电子设备、新能源汽车电池冷却等。一个良好的散热循环系统，可以延长其使用年限和使用性能。接下来，我将为大家介绍液冷板的工艺及常见缺陷有哪些？

背景：埋管冷板大功率电子设备热负荷的增加和产品密封性能的要求改变了传统的设计思路，液体冷却已成为主流趋势。与传统风冷散热器相比，液体冷却具有显著的性能优势，尤其是在大功率设备和高热通量中。每种产品都有其优势，具体取决于液体冷却板的设计，冷却液的选择，压降要求和客户的预算。

液冷板工艺常见类型：

1.埋管冷板

埋管冷板是最简单的冷板形式，只需将管埋入基板中。根据所需的热性能和冷却液，一般选用铜或不锈钢材质的管。利用CNC设备在基板上加工出管道凹槽，将管嵌入基板，并灌注环氧树脂压合，或在适当的位置进行焊接，可最大程度地提高使用寿命和热性能。

2.深孔钻冷板

深孔钻冷板通过在铝板的上钻一系列孔以形成多个流路。先确定入口和出口流体路径，再垂直于主流体路径钻一些孔，然后将部分孔堵塞以形成连续的冷却液路径。这种冷板的优点是在制造过程中没有热边界，铝板也没有热应力，因此更容易实现平整度。

3.FSW搅拌摩擦焊冷板

FSW搅拌摩擦焊冷板由基板和盖板构造而成，在基板上用CNC加工出液体流路凹槽，然后将盖板放入流路上方的凹槽中，并进行FSW（摩擦搅拌焊接）。最后，将焊接表面进行飞边平整，增加入口/出口孔和组件安装孔。

4.压铸冷板

压铸冷板是一种两件式结构，适用于复杂的大容量液态冷板。多个内部和外部金属件可以合并到两个压铸工具中。铸造后，再通过焊接或使用环氧树脂将两个压铸件粘合在一起。

 5.钎焊冷板

钎焊冷却板通常用于低热阻和高性能要求的设计当中。这类冷板在设计中具有很大的灵活性，如热阻，热流，压降，流体路径，尺寸，形状，材料硬度，表面几何形状以及在板的两侧安装部件等。内部可以通过从母材加工导流板和散热片，或通过引入高性能波纹铝翅片来完成，然后将这些零件钎焊在一起。

液冷生产工艺一般比风冷散热器来说更复杂，液冷采用流道式液体流动来传递热量，因此关于流道焊缝也出现了一些缺陷问题。

以铝合金液冷板的常见缺陷为案例试以分析

1.气孔缺陷：

如图1所示，气孔是指焊缝上的孔洞。气孔产生的主要原因是钎料选择错误，焊接前母材(即基板和盖板)和钎料箔的清洗不彻底，未能有效去除油污、氧化物(含结晶水)或者烘干不彻底等导致的。在钎焊过程中，油污气化、结晶水析出或钎料中低沸点元素挥发，若真空度不够，水冷散热器内部的气体不能完全逸出，液态钎料凝固时气体就留在焊缝中，形成一个个圆形的孔洞。

 2.漫流缺陷：

漫流是指真空钎焊过程中，液态钎料溢出钎焊面的现象，如图2所示。产生漫流的主要原因是钎焊温度-时间曲线不当、钎料量多、钎焊间隙大、工装夹具热容量大等。钎焊温度-时间曲线不当是指钎焊温度过高或保温时间过长，母材向液态钎料的溶解量大，钎焊间隙包揽不住液态钎料，导致液态钎料溢出至水冷散热器表面; 钎焊间隙大时，钎焊间隙对液态钎料的包揽效果不好，液态钎料易溢出; 装炉量多、工装夹具笨重、热容量大时，会导致散热器的冷却速度慢，这相当于延长了钎焊保温时间。

3.溶蚀缺陷：

熔蚀是指真空钎焊过程中母材向液态钎料处熔入而在母材上留下的一个凹坑如图3所示，直至液态钎料中铝含量跟母材中铝含量一致时熔蚀才会停止。熔蚀主要是钎料选型不当、钎料量多、钎焊温度不适宜等引起的。钎料选型不当是指所选用钎料跟母材相互作用太强，母材向液态钎料溶解速度快，钎料量大也会加剧母材向液态钎料的溶解速度，易在母材留下凹坑; 钎焊温度过高或保温时间过长时，也使母材向液态钎料的溶解量增大。

4.开裂（内部裂纹）：

开裂是指真空钎焊加热或冷却过程中基板、盖板分离的现象，如图4所示。开裂主要与装夹、内应力及钎缝性能等相关。装夹力矩大时，未夹紧处在升温过程中发生热胀，使基板、盖板分离，装夹力矩越大，分离越严重; 加热速率和冷却速率越大，散热器内外温差越大，热应力越大，高温时钎缝塑性低，较大的热应力下会撕裂钎缝; 钎料选择不当时，钎缝处生成大量脆性相，在内应力作用下产生开裂，裂纹沿钎焊面扩展。

5.钎焊鼓包：

钎焊鼓包是指钎焊过程中散热器表面局部区域出现的圆形瘤状物，如图5所示。钎焊鼓包是由于母材材质不均匀、钎焊温度过高等引起的。母材材质存在偏析现象，成分分布不均匀，局部区域低熔点物质偏聚，在钎焊温度接近该局部区域成分的固相线时，该区域高温强度极低，在重力作用下，有向下淌的趋势，故形成瘤状物; 当钎焊温度过高时，会加剧母材成分不均匀，加速鼓包。

6.焊合不良：

焊合不良是指真空钎焊的钎着率低或者具有穿透性缺陷。引起焊合不良的主要原因有清洗不彻底、温度控制不当、环境湿度大、真空度低、基板与盖板平面度差、粗糙度大等。清洗不彻底时，表面氧化物、油污未能除去干净，导致液态钎料难以润湿母材。温度控制不当包含两个方面，一是钎焊温度低或者保温时间短，温度未达到钎料的液相线以上，导致焊合不良; 二是在钎料的固液相温度所处时间过长，钎料部分熔化，先熔化的钎料溢出，导致未熔的部分熔点升高，即使在钎料的液相线温度以上，钎料剩余部分也难以熔化，引起焊合不良。环境湿度大，导致抽真空速率低，真空度难以达到要求，将会导致液态钎料润湿母材效果差。粗糙度过大时，焊合也会不良，加工痕迹太深处，钎料也难以填充满。如图6所示，水浸超声C扫描图像显示盘型铣削加工痕迹。

7.泄露（漏液）：

泄漏是指散热器在进行气密试验检测或者运行过程中，发生漏气或漏液的情况。水冷散热器在出厂前的气密试验检测时如果发生泄漏，则该产品直接报废; 若是在运行过程中发生泄漏，则不仅仅是报废散热器，还会导致其他事故。泄漏主要跟焊合不良、结构设计不合理等相关。焊合不良时，一种情况是有穿透性缺陷，将会直接导致泄漏。另一种情况是钎着率低，强度不够，在气密检测压力大，基板、盖板会鼓包甚至会撕裂导致泄漏。结构设计不良是指定位孔或者螺纹孔离流道太近，即使钎着率高，一旦螺纹孔或定位孔周围焊合略有不良时，也易在螺纹孔或定位孔处泄漏，如图7所示所示，定位孔离流道仅 3 mm，导致定位孔处流道穿透了; 另外若是基板、盖板厚度太薄，或者材质强度不够而散热器流道汇流区面积太大时，在气密检测压力作用下，也会发生鼓包甚至撕裂，导致泄漏。

8.错位：

错位是指真空钎焊过程，散热器基板跟盖板的位置有相对错动，盖板不能完全覆盖基板，如图8所示。错位主要跟工装夹紧力、装配等相关。钎焊前装配工序不细致，焊前就已错位; 工装夹紧力不够或无夹紧力时，若真空钎焊炉水平度不够，基板跟盖板之间的钎料熔化时，两者之间的摩擦阻力小，在重力沿钎焊面的分力作用下，会有一个横向移动。

9.变形：

变形是指在真空钎焊加热或冷却过程中，水冷散热器内部与外部温度不一致，在温度差下发生不均匀的形变。变形主要跟加热速率、冷却速率、夹紧力、工装刚性等相关。加热速率、冷却速率越大，水冷散热器内外层温差越大，热应力越大，形变量越大; 工装刚性越低、夹紧力矩越低，夹具面平面度越差，形变量也越大。

10.流道堵塞：

如图9所示，流道堵塞是指钎料堆积在水冷散热器流道里的现象，严重时会将流道堵死。流道堵塞主要与钎料量、流道设计及基板、盖板位置摆放相关，甚至还跟钎焊温度过高有关。钎料量多且流道窄小时，液态钎料会沿着流道高度方向流动。 另外，在真空钎焊组装过程中，若流道面在钎料面下方，液态钎焊流向流道时作用力不仅仅有毛细作用力，还会受到重力作用; 当钎焊温度过高时，母材与液态钎料的相互作用更强，母材向液态钎料的溶解量更多，这相当于将钎料量增大了。

钎焊工艺成形的液冷板，流道焊缝焊接质量，是液冷厂家最棘手的问题，钎料过多会使流道变窄或堵塞；钎料不足会使焊缝出现虚焊造成冷板泄露，对大批量生产带来严重的经济损失，因此，选择采声科技水冷板超声检测系统TCS-45BST可实现对各种材料内部分层、焊接不良、夹杂、裂纹、气孔等缺陷高精度扫查。如航空复合材料、蜂窝板、水冷板等缺陷检测。

采声科技-水冷板超声检测系统TCS-45BST，是一种高速、高效、高精度的C扫描检测系统依据超声波向被检材料发射与接收信号幅值的变化程度，来辨别缺陷位置及大小，并生成超声C扫描图像，适用于散热元器件的超声无损检测设备，可针对钎焊、搅拌摩擦焊、堆焊等工艺生产的特殊流道结构，对内部焊缝裂纹、夹杂、虚焊、未焊合等一系列缺陷快速扫描，在扫描过程中不损害被检工件。

采声—典型液冷板案例：