CN107570688B - 制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，旨在提供一种结构简单紧凑,可靠性较高且高耐蚀性冷板的制备方法。本发明通过下述技术方案予以实现：把瓷环管穿在电极上，根据冷板设计文件制作冷板铸造模型，将穿有瓷环管的电极预先埋入在冷板成型模具中，固定导电电极的端头进行冷板铸造并脱模，获得预先埋入穿有磁环管电极的冷板；然后将穿有磁环的电极接在微弧氧化系统中形成导电通路，通电对冷板外表面及其内部流道进行微弧氧化表面防护处理；在冷板工件表面及内部流道表面形成微弧放电形成微弧氧化层，完成微弧氧化后，从冷板流道口抽出穿有磁环的电极，就获得了冷板流道内壁表面以及冷板外表面共微弧氧化的高耐蚀冷板及其流道。

Description

制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法

技术领域

本发明涉及一种高功率高发热密度电子设备中广泛使用的液冷冷板的制备方法,尤其是制备高耐蚀性复杂流道冷板的方法。

背景技术

由于超大规模集成电路(VLSIC)、专用集成电路(ASIC)、超高速集成电路(VHSIC)等微电子技术的不断发展,现代电子装备正在向小型化、轻量化、高工作频率、高可靠和低成本等方向发展，微电子元器件和设备的组装密度迅速提高，固态电路、集成电路、大规模集成电路电子设备开始向小型、超小型和微型组装方向发展。电子设备元件的工作温度限度是有限的，工作温度不得超过允许值，如果温度过高，将导致电子元件性能降低直至失效。电子设备元件工作温度主要指电子元件的结点温度，元件结点至冷却流体的总热阻由三部分组成，即内部热阻、外部热阻和系统热阻。内部热阻是指元件发热区到元件安装面之间的热阻；外部热阻是指元件安装面到基板的接触热阻；系统热阻是指基板与冷却流体之间的热阻。微波固态电路因其具有制作重复性好，性能优良，调整方便，体积小，重量轻，可靠性高等优点，目前得到了广泛的应用。微波固态电路一般结构形式复杂，功率高，接收增益也高，因而其热流密度也非常高，随着电子元器件的组装密度不断提高,其热流密度急剧增加,体积缩小热流密度变得更大，对冷却技术提出了更高的要求。研究表明，芯片级的热流密度已经超过250W/cm²，电子设备的失效率有55％是温度超过规定值引起的。过热是电子产品失效的主要原因之一，半导体元件的温度每升高10℃，其可靠性就会降低50％，因而液冷成为高功率高发热密度电子设备的首选冷却方式。液冷又称水冷，它是以单相液体作为冷却介质的一种散热方式。液冷系统主要由冷板、循环管路、泵、外部换热器四部分组成。其工作原理比较简单，冷却工质在泵的作用下流经冷板内将电子元件产生的热量带走，再经过外部换热器将热量散出，冷却后的液体再次流回冷板，如此循环往复来达到热控制的目的。由于液冷冷板冷却方式结构简单、冷却效率高以及可与微波固态电路进行共形集成等优点。因此液冷冷板是高功率高发热密度电子设备中最广泛使用的冷却结构形式之一，并广泛的应用在高可靠性的微波固态电路中。目前微波固态电路采用的冷却方式主要包括风冷和液冷，两种冷却方式各有优缺点。风冷技术的优点主要是结构简单，重量轻。但是，随着微波固态电路热流密度不断地提高，采用传统的风冷方式已难以满足散热要求，风冷技术已经越来越无法满足微波固态电路基本的冷却要求。液冷方式冷却效果好，温度一致性高，可适应高的热流密度，提高了系统的可靠性和寿命。越来越多的微波固态电路冷却系统都集中在了强迫液冷的冷却方式上。通常液冷组件结构液冷组件由以下几部分组成：进、出液快速接头、起拔器和锁紧机构、屏蔽盖板、高密度和高可靠性的电连接器、功率管及微带板电路、液冷冷板等。液冷冷板起着机械支撑和对流换热的双重作用，是液冷组件的核心，要求其结构简单紧凑，表面传热系数高，温度梯度小，均温性较好，能有效降低集中热负载的热点温度，可靠性较高.冷板的几何尺寸由固态组件电路所决定，流道的初步设计由功率管的位置决定，且采用易于加工的方形通道.其材料选用导热性能好、重量轻的LD31。但单位温差传热功率越大，对于同一种冷却流体来说，冷板效率越高。结构紧凑，重量轻是衡量冷板性能的一个重要指标。由于传热是一个复杂的过程，涉及的因素又如此之多，因此难以找到单项的评价标准来比较各种冷却液体的冷却效果。冷板的基材通常选用导热性能很好的铜、铝等金属材料，其目的是为了使冷却剂以能够克服冷却回路中总流体摩擦热所需的流量进行循环。流体一般为水、乙二醇、碳氟化合物等冷却剂，冷板采用空芯结构，液体流道截面通常为矩形、蜂窝状或回旋状的结构形式。冷却液要求有良好的热特性、高的稳定性、与金属材料接触时化学稳定性高、在工作温度范围内不挥发、不产生态的变化、有良好的物理性能和电性能等特性。液冷工质的选用必须考虑以下因素：冷却液的导热性能、冷却液的冰点和粘度、冷却液的沸点和分解温度、冷却液的绝缘温度、冷却液的腐蚀性即与金属材料接触时化学稳定性、冷却液的可燃性、毒性、费用等，常用的冷却液有水、乙醇、甲醇、乙二醇、二甲烷饱和溶液等。目前冷板微通道中的散热一般采用的乙二醇类冷却液冷，该冷却液介质在工作状态下会分解产生对冷板流道进行腐蚀的乳酸等物质，给电子装备的长期可靠工作带来很大的风险。目前，一般采用化学氧化技术或自流平漆进行铝制冷板流道内部的防护处理，化学氧化膜很薄，另外比较软，根据相关分析会加速冷板流道的腐蚀，另外流道内部涂层在冷却液的长期作用下也会很快失效。

从目前公开发表的论文及专利情况来看，还没有在铝基材复杂冷板内部流道进行微弧氧化的方法出现。大多数文献都是进行冷却液体系研究、冷板设计以及冷板-冷却液腐蚀规律研究减缓冷板内部流道的腐蚀，比如现有技术公开文献公开的：“Compatibilityofthestructuralmaterialsofthecoolingchanneloflaserswithorganicliquidcoolan-ts”都是通过优化冷板设计、探讨冷却液-冷板体系腐蚀规律，从而减弱冷却液对冷板内部流道的腐蚀，而没有涉及到对冷板内部流道的防护彻底解决冷板流道腐蚀问题。

发明内容

本发明目的是针对冷板复杂流道的腐蚀的问题，提高电子设备的长期可靠性，提供一种结构简单紧凑,耐高温可靠性较高且高耐蚀性、耐高温的冷板及其流道的制备方法。

本发明采用的技术方案如下：一种制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于包括如下步骤：针对复杂型流道结构形式，建立液冷冷板的热仿真流体模型，在热仿真分析软件对各种流道结构形式进行流动特性、压力损失特性和换热特性的对比分析，结合轻金属冷板基材建立对流-导热耦合模型，以得到冷板的温度及压力分布，得出散热性能较好的流道结构形式，然后根据选用的冷板流道结构、铸造温度和微弧氧化技术条件，设计合适的导电电极3和瓷环管2，为防止导电电极3和轻金属基材冷板的流道相接触，导致微弧氧化过程中的高电压烧蚀冷板流道，把瓷环管2穿在电极3上，根据冷板设计文件制作冷板铸造模型，将穿有瓷环管2的电极3按流道管路预先埋入在冷板成型模具1中，固定导电电极3的端头进行冷板铸造脱模，获得预先埋入穿有磁环管2的电极3的冷板；然后将穿有磁环2的电极3接在微弧氧化系统电解液中形成导电通路，通电对冷板外表面及其内部流道进行微弧氧化表面防护处理；用专用的微弧氧化电源在冷板工件上施加电压，使冷板工件表面的轻金属与电解质溶液相互作用，在冷板工件表面形成微弧放电，在高温、电场作用下，冷板轻金属表面形成表面强化陶瓷膜，完成微弧氧化后，从冷板流道口抽出穿有磁环2的电极3，就获得了冷板流道内壁表面以及冷板外表面共微弧氧化的高耐蚀冷板及其流道。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

结构简单紧凑。本发明针对常规型及复杂型流道结构形式，建立液冷冷板的热仿真模型。在热仿真分析软件中通过对各种流道结构形式进行流动特性、压力损失特性和换热特性的对比分析，得出散热性能较好的流道结构形式，结构简单紧凑。

可靠性较高且高耐蚀性。本发明将预埋入的导电电极3接触点，对电极3端子进行固定，不让其移动，进行冷板铸造，铸造过程不污染穿有磁环2的电极3，浇注待冷板成型后脱模，得到在流道中预埋入穿有瓷环管2的导电电极3的冷板，电极3不与冷板流道部位接触，导电电极3连接氧化过程中保持电极3相对位置稳定，对轻金属冷板及其流道进行微弧氧化，微弧氧化电解液不含有毒物质和重金属元素，电解液抗污染能力强和再生重复使用率高，对环境污染小。微弧氧化处理后的轻金属基冷板及其流道内壁表面陶瓷膜层具有HV＞1200的硬度高，耐蚀性强(CASS盐雾试验＞480h)，电绝缘性好(膜阻＞100MΩ)，微弧氧化膜层与冷板基底及其流道轻金属结合力强，结合牢固，结构致密，韧性高，与基体具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。制造出具备长期可靠性和耐蚀性的铝基体液冷冷板和流道，能够防止冷板在长期使用过程中产生腐蚀物堵住液冷管道以及腐蚀失效。

耐高温。本发明采用直接在轻金属表面原位生长陶瓷膜的微弧氧化技术，对轻金属及其合金材料冷板及其流道进行表面防护处理，具有工艺过程简单，占地面积小，处理能力强，生产效率高，工艺稳定，本发明微弧氧化技术的突出特点是：大幅度地提高了液冷管道的表面硬度，显微硬度在1000至2000HV，最高可达3000HV，可与硬质合金相媲美，大大超过热处理后的高碳钢、高合金钢和高速工具钢的硬度；良好的耐磨损性能、良好的耐热性及抗腐蚀性，从根本上克服了铝、镁、钛合金材料在应用中的缺点；基体原位生长陶瓷膜，结合牢固,陶瓷膜致密均匀，有良好的绝缘性能，绝缘电阻可达100MΩ。制造的冷板内部流道的微弧氧化膜层致密均匀、耐蚀性高、耐磨性好、结合力好，工艺适应性强，不会出现传统化学氧化方法以及自流平漆膜出现的长期可靠性低，在使用过程中容易防护失效的问题。另外，本发明采用铸造成型方式，避免了焊接成型过程中焊接强度不够以及焊接造成的焊接界面与冷板基体两相不均匀产生的电偶腐蚀问题。

本发明中，冷板的热量分布均匀，温度梯度小，可带走较大的热量；由于它采用间接冷却方式，与电子器件不直接接触，使得设备工作可靠性较高，同时减小冷却液污染；与直接冷却相比较，冷却剂的耗损少，同时也便于采用较有效的冷却剂，提高冷却效率；冷板组件体积小、重量轻、结构紧凑，冷板轻金属材料为铝，导热系数是205，发热元件与冷板紧密贴合在一起忽略接触热阻的影响。

本发明适用于复杂结构的冷板内部流道制造，可以应用在具有高可靠性要求的电子装备散热装置上。

附图说明

图1是本发明穿有磁环管2的电极3在冷板流道中的铺设示意图。

图2是穿有磁环管2的电极3。

图中：1冷板成型模具，2瓷环管，3电极。

为了更清楚地理解本发明，下面结合实施实例，对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，针对复杂型流道结构形式，建立液冷冷板的热仿真流体模型，在热仿真分析软件对各种流道结构形式进行流动特性、压力损失特性和换热特性的对比分析，结合铝合金冷板基材流道尺寸，建立对流-导热耦合模型，以得到冷板的温度及压力分布，得出散热性能较好的流道结构形式，然后根据选用的冷板流道结构、铸造温度和微弧氧化技术条件，设计图1为设计的导电电极3和瓷环管2，为防止导电电极3和冷板流道基材相接触，导致微弧氧化过程中的高电压冷烧损冷板流道，把瓷环管2穿在电极3上，根据冷板设计文件制作冷板铸造模型，为防止导电电极3和轻金属基材冷板的流道相接触，导致微弧氧化过程中的高电压烧蚀冷板流道，把瓷环管2穿在电极3上，根据冷板设计文件制作冷板铸造模型，将穿有瓷环管2的电极3按流道管路预先埋入在冷板成型模具1中，固定导电电极3的端头进行冷板铸造脱模，获得预先埋入穿有磁环管2的电极3的冷板；修整和加工铸造好的模具；将穿有瓷环管2的电极3预先埋入在冷板成型模具1中，固定导电电极3的端头，然后将穿有磁环2的电极3接在微弧氧化系统电解液中形成导电通路，通电对冷板外表面及其内部流道进行微弧氧化表面防护处理；用专用的微弧氧化电源在冷板工件上施加电压，使冷板工件表面的轻金属与电解质溶液相互作用，在冷板工件表面形成微弧放电，在高温、电场作用下，冷板轻金属表面形成表面强化陶瓷膜，完成微弧氧化后，从冷板流道口抽出穿有磁环2的电极3，就获得了冷板流道内壁表面以及冷板外表面共微弧氧化的高耐蚀冷板及其流道。

在冷板铸造过程中，用耐高温胶带保护模具外的导电电极端头，以免污染影响导电性；将Al、Mg、Ti等轻金属或其合金置于电解质水溶液中作为阳极,进行冷板铸造，通过电解液与相应电参数的组合微等离子体氧化，在铝、镁、钛及其合金冷板及流道表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。脱模后，就获得了预先埋入穿有磁环管2电极3的冷板；把穿有磁环2的电极3接在微弧氧化系统中，形成导电通路，进行冷板外表面及其内部流道的微弧氧化；氧化完成后，然后对冷外露的电极3一端进行防瓷环管2滑落处理，然后把穿有瓷环管2的电极3小心的从冷板流道中抽出来，获得流道内部和外表面同步进行微弧氧化处理的高耐蚀冷板。根据冷板设计图，选取耐高温电极3，然后预先埋入冷板的铸造模具中，进行冷板成型，最后，进行冷板微弧氧化，冷板微弧氧化层厚度在10μm以上。

冷板轻金属基体材料为铝、钛、镁金属及其合金材料。在冷板铸造过程中，用耐高温胶带保护模具外的导电电极端头，以免污染影响导电性；冷板外部、内部流道微弧氧化同步进行。微弧氧化冷板内部流道直径大于4mm。氧化完后电极3及磁环人工从冷板流道抽出。

Claims (7)

1.一种制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于包括如下步骤：针对复杂型流道结构形式，建立液冷冷板的热仿真流体模型，在热仿真分析软件中对各种流道结构形式进行流动特性、压力损失特性和换热特性的对比分析，结合轻金属冷板基材建立对流-导热耦合模型，以得到冷板的温度及压力分布，得出散热性能较好的流道结构形式，然后根据选用的冷板流道结构、铸造温度和微弧氧化技术条件，设计合适的导电电极（3）和瓷环管（2），为防止导电电极（3）和轻金属基材冷板的流道相接触，导致微弧氧化过程中的高电压烧蚀冷板流道，把瓷环管（2）穿在电极（3）上，根据冷板设计文件制作冷板铸造模型，将穿有瓷环管（2）的电极（3）按流道管路预先埋入在冷板成型模具（1）中，固定导电电极（3）的端头进行冷板铸造并脱模，获得预先埋入穿有瓷环管（2）电极（3）的冷板；然后将穿有瓷环管（2）的电极（3）接在微弧氧化系统中形成导电通路，通电对冷板外表面及其内部流道进行微弧氧化表面防护处理；用专用的微弧氧化电源在冷板工件上施加电压，使冷板工件表面的轻金属与电解质溶液相互作用，在冷板工件表面形成微弧放电，在高温、电场作用下，冷板轻金属表面形成表面强化陶瓷膜，完成微弧氧化后，从冷板流道口抽出穿有瓷环管（2）的电极（3），就获得了冷板流道内壁表面以及冷板外表面共微弧氧化的高耐蚀冷板及其流道。

2.根据权利要求1所述的制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于, 根据冷板设计图，选取耐高温电极（3），然后预先埋入冷板的铸造模具中，进行冷板成型，最后，进行冷板微弧氧化，冷板微弧氧化层厚度在10μm以上。

3.根据权利要求1所述的制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于,冷板轻金属基体材料为铝、钛、镁金属及其合金材料。

4.根据权利要求1所述的制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于, 冷板外部、内部流道微弧氧化同步进行。

5.根据权利要求1所述的制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于，氧化完后电极（3）及瓷环管（2）人工从冷板流道抽出。

6.根据权利要求1所述的制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于，微弧氧化冷板内部流道直径大于4mm。

7.根据权利要求1所述的制备微波固态电路耐蚀液冷冷板的方法，其特征在于，在冷板铸造过程中，用耐高温胶带保护模具外的导电电极端头。