液冷冷板流道潔凈度控制技術(shù)研究*

申志剛

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

現(xiàn)代電子設(shè)備集成度高，熱流密度大，液冷是目前普遍采用的一種系統(tǒng)級(jí)冷卻方式。液冷系統(tǒng)大量采用冷板結(jié)構(gòu)，冷板上安裝的各類電子模塊產(chǎn)生的熱量通過接觸傳導(dǎo)方式傳遞到冷板[1]，液態(tài)冷卻介質(zhì)(防凍液)在冷板內(nèi)部流道中循環(huán)流動(dòng)，將熱量導(dǎo)出[2]。

各種類型冷板、液冷機(jī)殼和液冷機(jī)箱等冷卻構(gòu)件，由于其內(nèi)部流道排布密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3-4]，一旦發(fā)生內(nèi)部雜質(zhì)污染，清洗清除難度極大[5]。同時(shí)為提升現(xiàn)代電子設(shè)備的裝拆、維護(hù)便利性，冷卻系統(tǒng)大量使用高精度連接器，雜質(zhì)污染極易引發(fā)連接器泄漏失效。這些均對(duì)液冷系統(tǒng)內(nèi)部潔凈度提出了非常高的要求。

液冷冷板制造工藝已很成熟，但在流道防護(hù)、清洗、潔凈度檢測(cè)等環(huán)節(jié)均存在一些亟待解決的問題。例如，在冷板類構(gòu)件的加工制造過程中，油污、切削冷卻液、機(jī)加工切屑等異物極易進(jìn)入流道，其中流道口螺紋攻絲操作的切削加工部位就在流道口，其防護(hù)困難，切屑進(jìn)入后也較難清除。

針對(duì)液冷冷板制造過程中的污染物控制難題，對(duì)制造過程中防護(hù)、清洗、潔凈度檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，以期對(duì)液冷系統(tǒng)的潔凈度形成有效控制，全面提升液冷系統(tǒng)的密封性和運(yùn)行可靠性。

1 冷板加工過程流道防護(hù)技術(shù)

典型的冷板結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含內(nèi)部流道和冷卻接口結(jié)構(gòu)，其加工制造過程包括焊接、機(jī)加工和表面處理等。

圖1 典型電子設(shè)備用液冷冷板

冷板在焊接完成后形成封閉性流道，且流道構(gòu)造一般為非直線結(jié)構(gòu)，存在沖洗盲區(qū)。冷板焊接后機(jī)加工過程需使用大量切削冷卻液對(duì)刀具、工件進(jìn)行冷卻，同時(shí)產(chǎn)生大量的金屬切屑。此工序環(huán)節(jié)極易引入冷卻液、切屑等污染物，切屑進(jìn)入后難以徹底清除干凈，是流道污染的高危工序環(huán)節(jié)。針對(duì)此問題，在加工過程提前進(jìn)行有效防護(hù)，防止切屑、切削液進(jìn)入流道，避免后續(xù)大量的反復(fù)清洗和內(nèi)部檢測(cè)確認(rèn)工作以及清除不徹底導(dǎo)致的安全隱患。

基于不同的冷板流道接口結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行防護(hù)工裝設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)圓錐管螺紋結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的典型冷板流道接口結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。對(duì)于此類冷板，由于圓錐管螺紋本身具有密封功能，在攻絲完成后的冷板精加工過程中，防護(hù)工裝可以使用冷板本身的管螺紋進(jìn)行封堵，只需使用匹配的螺紋堵頭，如圖2(b)所示。

圖2 典型螺紋類流道接口結(jié)構(gòu)和防護(hù)堵頭工裝示意圖

針對(duì)此類冷板設(shè)計(jì)使用了不同類型、規(guī)格的堵頭工裝。對(duì)于螺紋攻絲完成后的焊后精加工過程，利用NPT螺紋本身的密封性進(jìn)行流道防護(hù)。而對(duì)于流道口的螺紋攻絲操作，由于必須讓開絲錐的操作空間，可設(shè)計(jì)使用薄片式防護(hù)工裝，卡入流道口底部。在攻絲完成后，先清理干凈口部切屑，再取出薄片工裝。為方便后續(xù)工裝取出，防護(hù)工裝上需沖出自閉合十字槽。

對(duì)于其他非螺紋結(jié)構(gòu)接口形式的冷板，由于盲插式冷卻接頭的應(yīng)用對(duì)冷板接口的位置精度、尺寸精度要求更高，可根據(jù)冷板接口部位臺(tái)階底孔的具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)制作防護(hù)工裝。設(shè)計(jì)工裝時(shí)需注意冷板的加工余量要求，避免與加工刀具的干涉。為方便工裝取出，需在工裝上設(shè)置取出螺紋或槽口等結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)冷板時(shí)，需提前考慮流道口的防護(hù)，采取預(yù)留工藝螺紋孔等形式，方便防護(hù)工裝的實(shí)施。無法進(jìn)行防護(hù)的冷板流道口結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡量避免使用。

為避免損傷冷板結(jié)構(gòu)本身，防護(hù)工裝的材料一般采用軟質(zhì)金屬或聚四氟乙烯等非金屬材料制作。由于該工裝在使用過程中易損耗，且結(jié)構(gòu)形式多樣，因此防護(hù)工裝可進(jìn)行分類合并，采用通用化和系列化(圖3)的設(shè)計(jì)，以降低成本。

圖3 系列化防護(hù)工裝實(shí)物

2 冷板流道高效清洗技術(shù)

冷板等液冷件在制造過程中如果防護(hù)不當(dāng)易受到污染，如冷板機(jī)加工過程中的金屬切屑、油污、切削冷卻液等污染。同時(shí)冷板制件的周轉(zhuǎn)過程也極易造成異物進(jìn)入。因此針對(duì)冷板內(nèi)部流道的清洗就成為消除流道污染、提升流道潔凈度的必要措施。本文針對(duì)上述污染問題，研究了高效無腐蝕清洗技術(shù)，主要包括清洗劑的選擇、專用高效清洗設(shè)備的配備和清洗方式及流程的優(yōu)化等方面。

清洗劑的優(yōu)選主要考慮清洗劑對(duì)冷板的鋁合金基體材料不具腐蝕性或只有輕微腐蝕性，同時(shí)又要對(duì)油污、切削液等溶液有高效的清除作用。最終選擇了某型號(hào)鋁合金專用清洗劑，與潔凈的去離子水按照一定的配比混合后使用。設(shè)計(jì)開發(fā)了專用的帶自加熱功能的冷板清洗設(shè)備，具備自循環(huán)清洗和開放式?jīng)_洗2種清洗模式。清洗流程的優(yōu)化主要涉及清洗工序在冷板制造全流程中的合理設(shè)置以及各清洗工序不同清洗方式的選擇。

對(duì)于微通道冷板，其內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)更加細(xì)微和復(fù)雜，清洗難度更大。為此開展了超聲清洗技術(shù)研究，考察該清洗方法對(duì)油污、冷卻液、酸堿液等各類污染物的清除能力。同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并在實(shí)際制造過程中小批量試用。

3 液冷件內(nèi)部潔凈度檢測(cè)技術(shù)

液冷冷板的制造工序流程長(zhǎng)，污染引入環(huán)節(jié)多，且污染物種類復(fù)雜，致使化學(xué)檢測(cè)手段面對(duì)的對(duì)象過多，檢測(cè)項(xiàng)目復(fù)雜，且缺乏綜合性定量評(píng)估指標(biāo)。而且化學(xué)檢測(cè)項(xiàng)目多需依托外部專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施存在困難，需要探索簡(jiǎn)單易行的污染物檢測(cè)指標(biāo)、方法和設(shè)備，以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。目前對(duì)于清洗過的冷板構(gòu)件，一般通過目測(cè)觀察清洗過的溶液的潔凈程度來做定性判斷，清洗效果無評(píng)斷依據(jù)。

本研究以簡(jiǎn)單、易行、可量化為主要原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合使用化學(xué)、物理檢測(cè)方法，并輔以定性檢測(cè)，形成液冷系統(tǒng)的檢測(cè)方法和潔凈度的檢測(cè)流程和評(píng)價(jià)體系。

3.1 潔凈度檢測(cè)方法

對(duì)于切屑等固體顆粒型異物，主要使用物理檢測(cè)方法。對(duì)于一般的冷板構(gòu)件可采用壓縮空氣吹氣法，用潔凈壓縮空氣反復(fù)吹冷板流道，看是否有固體顆粒出來，是否有打手感；而對(duì)于彎曲型流道結(jié)構(gòu)，難以直觀檢測(cè)的，可以用內(nèi)窺鏡檢測(cè)法，用專用的內(nèi)窺鏡設(shè)備進(jìn)行目視輔助直觀檢測(cè)；對(duì)于微通道冷板等內(nèi)部具有微細(xì)結(jié)構(gòu)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷板件，可以使用X光探測(cè)等無損檢測(cè)方法來觀察流道內(nèi)部的異物殘留情況。

對(duì)于化學(xué)液體殘留物，可針對(duì)具體污染物分析其化學(xué)成分，選擇易檢測(cè)成分做量化檢測(cè)，綜合使用物理、化學(xué)檢測(cè)方法。例如，對(duì)于油脂類殘留，可抽取冷板件，往其流道內(nèi)注入潔凈水，倒出后觀察浮油殘留；或用有機(jī)溶劑法，往其流道內(nèi)注入丙酮等有機(jī)溶劑，靜置一段時(shí)間后，倒出溶液，用潔凈濾紙過濾倒出的有機(jī)溶液，觀察是否有油脂殘留。對(duì)于離子類殘留的檢測(cè)，可應(yīng)用電導(dǎo)測(cè)試法。對(duì)清洗后的溶液進(jìn)行電導(dǎo)測(cè)試，電導(dǎo)率增加值小于某一閾值為合格，閾值需根據(jù)實(shí)際情況確定。

3.2 潔凈度檢測(cè)流程

綜合使用上述檢測(cè)方法，形成對(duì)液冷件流道內(nèi)部潔凈度的檢測(cè)流程，如圖4所示。

圖4 液冷件內(nèi)部潔凈度檢測(cè)流程

4 實(shí)施效果驗(yàn)證

使用冷板試樣，加裝防護(hù)工裝后在數(shù)控加工中心上進(jìn)行銑削加工，加工部位包括外形及流道口。加工過程開切削液，過程持續(xù)30 min。機(jī)加工完成后進(jìn)行后續(xù)的表面處理、裝配等制造工序流程，最終對(duì)冷板內(nèi)部的潔凈度進(jìn)行全面檢測(cè)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)加工過程防護(hù)工裝密封性良好，可滿足防止機(jī)加工過程切屑、切削冷卻液進(jìn)入的防護(hù)要求。最終檢測(cè)結(jié)果顯示，冷板內(nèi)部無超出設(shè)計(jì)要求的微小固體顆粒、油污和化學(xué)溶液殘留，潔凈度滿足使用要求。

此冷板流道控制技術(shù)可應(yīng)用于電子設(shè)備研制過程中各類冷板構(gòu)件的加工制造過程，包括液冷機(jī)殼、液冷機(jī)箱等冷卻構(gòu)件。機(jī)加工防護(hù)工裝可以作為過程周轉(zhuǎn)防護(hù)工裝，延伸應(yīng)用至機(jī)加工后的制造全過程，以有效防止周轉(zhuǎn)、工序暫存等環(huán)節(jié)的流道異物污染。而清洗技術(shù)也可延伸至系統(tǒng)流通后的整體清洗，其應(yīng)用全面提升了冷板流道乃至整體液冷系統(tǒng)的潔凈度水平。潔凈度檢測(cè)方法的組合應(yīng)用既方便操作，簡(jiǎn)化了檢測(cè)流程，又具有針對(duì)性，可有效把控加工過程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

從工程應(yīng)用效果看，該潔凈度控制技術(shù)的實(shí)施，可全面提升冷板類構(gòu)件內(nèi)部流道潔凈度控制水平，降低冷板內(nèi)部由機(jī)加工金屬切屑造成的泄漏故障，避免由流道異物污染造成的返工經(jīng)濟(jì)成本和計(jì)劃延遲損失。

5 結(jié)束語

研究液冷冷板的防護(hù)、清洗和潔凈度檢測(cè)技術(shù)對(duì)提升電子設(shè)備整體可靠性、降低故障率意義重大。液冷冷板潔凈度控制技術(shù)的實(shí)施面對(duì)諸多挑戰(zhàn)。液冷冷板間循環(huán)連通，易交叉感染，潔凈度控制難度大；冷板件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝流程長(zhǎng)，污染發(fā)生契機(jī)均為細(xì)小的大意或失誤；鑒于冷板流道的復(fù)雜性，一旦污染，清洗無法根除，會(huì)留有隱患，失控后果嚴(yán)重。

因此，在科研生產(chǎn)實(shí)踐中，要進(jìn)行全流程防控。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)具體構(gòu)件和工藝過程提出污染控制措施，這樣才能有效控制冷板流道內(nèi)部的污染。