厌氧胶在液冷板缺陷修复中的工艺技术

2023-02-11万录明

粘接 2023年1期

关键词：漏点液冷钎焊

万录明，王云

(中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036)

当今电子设备热流密度越来越大，液冷板散热发挥着不可或缺的作用。液冷板通常由基板和盖板分别进行机械加工，然后再焊接而成[1-2]，其制造周期长，造价高。较复杂的液冷板制造周期2～3个月，价值数万元。

液冷板的焊接有：真空铝钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、电子束焊等各种焊接方式。焊接过程是非常复杂的微冶金过程，存在诸如虚焊、气孔、应力开裂等缺陷。

产生微孔的原因主要有2个：一是凝固时急剧散热而收缩产生的收缩微孔；二是空气中的水分与基材发生反应产生氧化铝和氢气，在凝固的时候由于氢气四处逸窜而产生气体，凝固形成微孔。

微孔是液态到固态凝固机理方面的缺陷，较难控制。微孔出现在焊接中是一种普遍存在的现象。由于气孔的残留，晶体收缩等原因不可避免地形成若干微孔、裂纹等。微孔渗漏会给设备的使用带来严重影响，特别是液冷板更是不能容忍的。

液冷板生产过程产生的虚焊、气孔、应力开裂等缺陷容易导致液冷剂的渗漏[3]。一旦因渗漏而报废则会对产品交付、生产成本、客户印象带来负面影响。

文献[3]采用摩擦焊对液冷板进行漏液修复，该工艺需要制作摩擦头。不同的液冷板结构形式需要适配不同形式的摩擦头，成本较高、修复周期较长。目前，应用胶粘剂对液冷板修复的相关文献报道较少；本研究应用厌氧胶实现了液冷板渗漏缺陷的修复，其成本低、修复周期短、简单易行。

1 液冷板结构与工艺特点

液冷板通常被制作成电子设备盒体或其他功能构件，其基体内部蕴含密封的蛇形流道，利用流道内部的液冷剂(通常为高品质的防冻液)对电子设备进行换热。盒体内安装的电子元器件散发的热量，传导给盒体，再传导给液冷剂。通过液冷剂的不断循环流动将热量带走，从而保证电子设备的温度控制在适合的温度范围之内。

液冷板结构形式的特点：先剖分后焊接。目前，其使用广泛，也是较成熟的形式。

其思路是将流道剖分，使原本内表面流道，通过剖分从而变成外表面的加工，可使用各种常规制造手段。这样，流道的设计是非常自由的，可实现特殊的需求。诸如：真空铝钎焊、扩散焊、电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊或者某几种的组合来进行焊接[4-5]。这种方式的缺点是生产路线较长，焊接部位往往成为液冷板制造的薄弱环节。所以，液冷板成品的耐压检测成为必不可少的重要质量控制环节。

修复对象为某型号液冷板，其结构如图1所示。其加工工艺过程为盖板、钎料、腔体基板通过真空铝钎焊进行焊接，然后通过机械加工将表面的特征加工出来；制造流程如图2所示。

(a)液冷板轴测图

图2 液冷板制造流程框图Fig.2 Manufacturing flow block diagram of liquid cooling plate

真空铝钎焊焊接状态爆炸图如图3所示，其由盖板、钎料、腔体组成。

图3 某型号液冷板真空铝钎焊焊接状态爆炸图(基板透明度40%)Fig.3 Explosion diagram of the substrate (40%)

盖板和腔体基板在焊接前要进行酸洗，去除表面氧化层，然后用无水乙醇或丙酮将盖板、钎料、腔体基板表面进行清洁，再用夹具装夹，置入真空铝钎焊炉，开启真空系统维持设置真空度，加热保温，最后关闭设备电源，零件随炉冷却，完成液冷板的真空铝钎焊。再通过机械加工液冷板外部特征，完成最终产品的制造。最后，进行检验和耐压检测。

2 液冷板渗漏缺陷修复工艺方案

2.1 修复剂的选择

修复剂是修复实施的基础及关键，它关系着修复的成败、修复效果及修复的液冷板能否长久服役。

确定修复剂需要考虑的因素众多。

着重考虑因素:(1)能堵漏；(2)成本低；(3)修复实施方便易行，不用或少用特殊的设备设施；(4)修复后性能稳定，能耐受电子设备使用的环境考验。

本着上述原则，与结合供货商推荐，查阅参考文献等[6-13]，选择10余种不同类型的胶粘剂作为修补剂[14-19]。通过筛选确定修复剂为：1#修复液和2#修复液组合，具体如图4所示；1#修复液和2#修复液性能如表1、表2所示。

表1 1#修复液性能Tab.1 1# repair fluid properties

表2 2#修复液性能Tab.2 2# repair solution performance

1#修复液通过低黏度和毛细管渗透作用，在金属缝隙间与空气隔绝时固化。可以用于填充焊缝、铸造或粉末冶金部件的缺陷。固化后能长久的使用在温度85 ℃以下场景，能耐多种有机溶剂及酸碱环境的浸蚀。

2#修复液与1#修复液配合使用，能促进1#修复液的使用，提高其固化速度。使用方法：在液冷板待修复部位外表面上喷涂或刷涂2#修复液，通过渗透进入缺陷内部。

图4 1#修复液和2#修复液Fig.4 1# repair solution and 2# repair fluid

2.2 液冷板修复工艺

液冷板修复工艺主要包含前处理、修复处理和后处理3大工艺过程，工艺流程如图5所示。

图5 渗漏液冷板修复工艺流程图Fig.5 Repair process chart of leakage liquid cooling plate

2.2.1前处理工艺

前处理工艺主要包含检漏、酸洗、水洗、烘干等工序。其中，检漏：标记液冷板漏点。酸洗：清理干净流道内壁和液冷板外表面的污渍和表面氧化层等，水洗：清洗内流道的残酸残碱。烘干：保证液冷板流道内壁、缺陷部位和外表面的干燥。

所以，前处理目的是：找出漏点，创造干净、干燥的修复部位，为后续修复剂的粘接牢固创造前置条件。

2.2.2修复处理工艺

修复处理工艺主要包含填充修复剂、保压初固、修复剂回收、保温固化等工艺过程。

(1) 填充修复剂。在漏点部位外表面，喷涂或刷涂2#修复剂，将其渗透入缺陷内部，自然晾置5 min以上。之后，在液冷板流道入口接上接头，并用堵头封堵出口仅留出一处出口，用量杯量取合适剂量的1#修复液装入灌注装置容器中，按压灌注装置的打气筒将1#修复液缓慢注入液冷板流道空间充满(参见图7)。灌注完毕后，用堵头堵住剩余出口，并将接头换成耐压检测接头；

(2) 保压与初固。将液冷板接上耐压检测设备，将压力设定到0.5 MPa并保压5 min，1#修复液在压力下慢慢浸渗到裂缝中并有些许渗溢，在裂缝的缺氧环境中初步凝固；

(3) 修复剂回收。泄压，拆除出口处的堵头，将耐压检测设备压力值调到0.1 MPa，流道内未固化的1#修复液在气压下挤出，并用容器将1#修复液回收。当没有明显修复液流出时，将耐压检测设备压力加到0.5 MPa，使得残留的1#修复液呈雾状吹出；

(4) 保温固化。将液冷板放入烘箱中，60 ℃/24 h保温使其彻底固化。

2.2.3后处理工艺

后处理工艺包含液冷板外表面清理，冲洗内流道和耐压检测。

外表面清理：主要是去除液冷板外表污染物、残留胶质等。

冲洗内流道：因为流道内在修复过程中未绝氧，流道内即使有残留胶液也不会固化，仍然维持液体状态。将液冷板接上接头与自来水连通，用自来水冲洗流道内壁未凝固残留胶液，冲洗彻底且干净。

耐压检测：将液冷板接上耐压检测设备，按规范规定2.5 MPa并保压30 min，确认其修复效果。

目前修复均是1次成功。如果1次修复仍然未彻底修好，可2次修补。2次修补仍然泄漏,那么此液冷板就判为报废。这样规定主要是考虑军品的可靠性。若不是军品，可不受此限制。

3 实验验证

3.1 液冷板耐压实验验证

对某型号的液冷板进行了修复工艺验证，液冷板确定漏点后，经过酸洗、水洗、烘干后，连接在灌注装置上填充修复液。液冷板的漏点检测如图6所示。图片中冒气泡点即为漏点，液冷板在灌注装置上的连接方式如图7所示。

图6 液冷板浸没水箱中漏点检测图Fig.6 Detection diagram of the leakage point in the liquid cooling plate immersed water tank

图7 液冷板与灌注装置连接方式图Fig.7 Connection mode of liquid cooling plate andperfusion device

经过灌注修复液、保压初固、修复剂回收、保温固化、流道表面清洗后即进行耐压检测,以再次确定修复后的液冷板是否还有漏点。液冷板在2.5 MPa压力下做耐压检测，保压30 min确认液冷板是否有泄漏。液冷板耐压检测原理如图8所示。液冷板通过夹持工装、接头和气管连接在耐压检测设备上，并浸没于水箱中。耐压设备压力设置为2.5 MPa，保持30 min，若浸没的液冷板周边没有气泡产生，并且保压没有下降，则说明液冷板没有泄漏，气密性符合设计要求[20]。分析认为，修复后耐压效果好，原因在于缺陷的不规则性，厌氧胶浸渗固化与基体相互嵌顿成一体。修复的液冷接头5 MPa也能承受。