厭氧膠在液冷板缺陷修復(fù)中的工藝技術(shù)

萬錄明，王 云

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036)

當(dāng)今電子設(shè)備熱流密度越來越大，液冷板散熱發(fā)揮著不可或缺的作用。液冷板通常由基板和蓋板分別進(jìn)行機(jī)械加工，然后再焊接而成[1-2]，其制造周期長，造價(jià)高。較復(fù)雜的液冷板制造周期2～3個(gè)月，價(jià)值數(shù)萬元。

液冷板的焊接有：真空鋁釬焊、擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、電子束焊等各種焊接方式。焊接過程是非常復(fù)雜的微冶金過程，存在諸如虛焊、氣孔、應(yīng)力開裂等缺陷。

產(chǎn)生微孔的原因主要有2個(gè)：一是凝固時(shí)急劇散熱而收縮產(chǎn)生的收縮微孔；二是空氣中的水分與基材發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋁和氫氣，在凝固的時(shí)候由于氫氣四處逸竄而產(chǎn)生氣體，凝固形成微孔。

微孔是液態(tài)到固態(tài)凝固機(jī)理方面的缺陷，較難控制。微孔出現(xiàn)在焊接中是一種普遍存在的現(xiàn)象。由于氣孔的殘留，晶體收縮等原因不可避免地形成若干微孔、裂紋等。微孔滲漏會給設(shè)備的使用帶來嚴(yán)重影響，特別是液冷板更是不能容忍的。

液冷板生產(chǎn)過程產(chǎn)生的虛焊、氣孔、應(yīng)力開裂等缺陷容易導(dǎo)致液冷劑的滲漏[3]。一旦因滲漏而報(bào)廢則會對產(chǎn)品交付、生產(chǎn)成本、客戶印象帶來負(fù)面影響。

文獻(xiàn)[3]采用摩擦焊對液冷板進(jìn)行漏液修復(fù)，該工藝需要制作摩擦頭。不同的液冷板結(jié)構(gòu)形式需要適配不同形式的摩擦頭，成本較高、修復(fù)周期較長。目前，應(yīng)用膠粘劑對液冷板修復(fù)的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少；本研究應(yīng)用厭氧膠實(shí)現(xiàn)了液冷板滲漏缺陷的修復(fù)，其成本低、修復(fù)周期短、簡單易行。

1 液冷板結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

液冷板通常被制作成電子設(shè)備盒體或其他功能構(gòu)件，其基體內(nèi)部蘊(yùn)含密封的蛇形流道，利用流道內(nèi)部的液冷劑(通常為高品質(zhì)的防凍液)對電子設(shè)備進(jìn)行換熱。盒體內(nèi)安裝的電子元器件散發(fā)的熱量，傳導(dǎo)給盒體，再傳導(dǎo)給液冷劑。通過液冷劑的不斷循環(huán)流動(dòng)將熱量帶走，從而保證電子設(shè)備的溫度控制在適合的溫度范圍之內(nèi)。

液冷板結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)：先剖分后焊接。目前，其使用廣泛，也是較成熟的形式。

其思路是將流道剖分，使原本內(nèi)表面流道，通過剖分從而變成外表面的加工，可使用各種常規(guī)制造手段。這樣，流道的設(shè)計(jì)是非常自由的，可實(shí)現(xiàn)特殊的需求。諸如：真空鋁釬焊、擴(kuò)散焊、電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊或者某幾種的組合來進(jìn)行焊接[4-5]。這種方式的缺點(diǎn)是生產(chǎn)路線較長，焊接部位往往成為液冷板制造的薄弱環(huán)節(jié)。所以，液冷板成品的耐壓檢測成為必不可少的重要質(zhì)量控制環(huán)節(jié)。

修復(fù)對象為某型號液冷板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其加工工藝過程為蓋板、釬料、腔體基板通過真空鋁釬焊進(jìn)行焊接，然后通過機(jī)械加工將表面的特征加工出來；制造流程如圖2所示。

(a)液冷板軸測圖

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

真空鋁釬焊焊接狀態(tài)爆炸圖如圖3所示，其由蓋板、釬料、腔體組成。

圖3 某型號液冷板真空鋁釬焊焊接狀態(tài)爆炸圖(基板透明度40%)Fig.3 Explosion diagram of the substrate (40%)

蓋板和腔體基板在焊接前要進(jìn)行酸洗，去除表面氧化層，然后用無水乙醇或丙酮將蓋板、釬料、腔體基板表面進(jìn)行清潔，再用夾具裝夾，置入真空鋁釬焊爐，開啟真空系統(tǒng)維持設(shè)置真空度，加熱保溫，最后關(guān)閉設(shè)備電源，零件隨爐冷卻，完成液冷板的真空鋁釬焊。再通過機(jī)械加工液冷板外部特征，完成最終產(chǎn)品的制造。最后，進(jìn)行檢驗(yàn)和耐壓檢測。

2 液冷板滲漏缺陷修復(fù)工藝方案

2.1 修復(fù)劑的選擇

修復(fù)劑是修復(fù)實(shí)施的基礎(chǔ)及關(guān)鍵，它關(guān)系著修復(fù)的成敗、修復(fù)效果及修復(fù)的液冷板能否長久服役。

確定修復(fù)劑需要考慮的因素眾多。

著重考慮因素:(1)能堵漏；(2)成本低；(3)修復(fù)實(shí)施方便易行，不用或少用特殊的設(shè)備設(shè)施；(4)修復(fù)后性能穩(wěn)定，能耐受電子設(shè)備使用的環(huán)境考驗(yàn)。

本著上述原則，與結(jié)合供貨商推薦，查閱參考文獻(xiàn)等[6-13]，選擇10余種不同類型的膠粘劑作為修補(bǔ)劑[14-19]。通過篩選確定修復(fù)劑為：1#修復(fù)液和2#修復(fù)液組合，具體如圖4所示；1#修復(fù)液和2#修復(fù)液性能如表1、表2所示。

表1 1#修復(fù)液性能Tab.1 1# repair fluid properties

表2 2#修復(fù)液性能Tab.2 2# repair solution performance

1#修復(fù)液通過低黏度和毛細(xì)管滲透作用，在金屬縫隙間與空氣隔絕時(shí)固化?？梢杂糜谔畛浜缚p、鑄造或粉末冶金部件的缺陷。固化后能長久的使用在溫度85 ℃以下場景，能耐多種有機(jī)溶劑及酸堿環(huán)境的浸蝕。

2#修復(fù)液與1#修復(fù)液配合使用，能促進(jìn)1#修復(fù)液的使用，提高其固化速度。使用方法：在液冷板待修復(fù)部位外表面上噴涂或刷涂2#修復(fù)液，通過滲透進(jìn)入缺陷內(nèi)部。

圖4 1#修復(fù)液和2#修復(fù)液Fig.4 1# repair solution and 2# repair fluid

2.2 液冷板修復(fù)工藝

液冷板修復(fù)工藝主要包含前處理、修復(fù)處理和后處理3大工藝過程，工藝流程如圖5所示。

圖5 滲漏液冷板修復(fù)工藝流程圖Fig.5 Repair process chart of leakage liquid cooling plate

2.2.1前處理工藝

前處理工藝主要包含檢漏、酸洗、水洗、烘干等工序。其中，檢漏：標(biāo)記液冷板漏點(diǎn)。酸洗：清理干凈流道內(nèi)壁和液冷板外表面的污漬和表面氧化層等，水洗：清洗內(nèi)流道的殘酸殘堿。烘干：保證液冷板流道內(nèi)壁、缺陷部位和外表面的干燥。

所以，前處理目的是：找出漏點(diǎn)，創(chuàng)造干凈、干燥的修復(fù)部位，為后續(xù)修復(fù)劑的粘接牢固創(chuàng)造前置條件。

2.2.2修復(fù)處理工藝

修復(fù)處理工藝主要包含填充修復(fù)劑、保壓初固、修復(fù)劑回收、保溫固化等工藝過程。

(1) 填充修復(fù)劑。在漏點(diǎn)部位外表面，噴涂或刷涂2#修復(fù)劑，將其滲透入缺陷內(nèi)部，自然晾置5 min以上。之后，在液冷板流道入口接上接頭，并用堵頭封堵出口僅留出一處出口，用量杯量取合適劑量的1#修復(fù)液裝入灌注裝置容器中，按壓灌注裝置的打氣筒將1#修復(fù)液緩慢注入液冷板流道空間充滿(參見圖7)。灌注完畢后，用堵頭堵住剩余出口，并將接頭換成耐壓檢測接頭；

(2) 保壓與初固。將液冷板接上耐壓檢測設(shè)備，將壓力設(shè)定到0.5 MPa并保壓5 min，1#修復(fù)液在壓力下慢慢浸滲到裂縫中并有些許滲溢，在裂縫的缺氧環(huán)境中初步凝固；

(3) 修復(fù)劑回收。泄壓，拆除出口處的堵頭，將耐壓檢測設(shè)備壓力值調(diào)到0.1 MPa，流道內(nèi)未固化的1#修復(fù)液在氣壓下擠出，并用容器將1#修復(fù)液回收。當(dāng)沒有明顯修復(fù)液流出時(shí)，將耐壓檢測設(shè)備壓力加到0.5 MPa，使得殘留的1#修復(fù)液呈霧狀吹出；

(4) 保溫固化。將液冷板放入烘箱中，60 ℃/24 h保溫使其徹底固化。

2.2.3后處理工藝

后處理工藝包含液冷板外表面清理，沖洗內(nèi)流道和耐壓檢測。

外表面清理：主要是去除液冷板外表污染物、殘留膠質(zhì)等。

沖洗內(nèi)流道：因?yàn)榱鞯纼?nèi)在修復(fù)過程中未絕氧，流道內(nèi)即使有殘留膠液也不會固化，仍然維持液體狀態(tài)。將液冷板接上接頭與自來水連通，用自來水沖洗流道內(nèi)壁未凝固殘留膠液，沖洗徹底且干凈。

耐壓檢測：將液冷板接上耐壓檢測設(shè)備，按規(guī)范規(guī)定2.5 MPa并保壓30 min，確認(rèn)其修復(fù)效果。

目前修復(fù)均是1次成功。如果1次修復(fù)仍然未徹底修好，可2次修補(bǔ)。2次修補(bǔ)仍然泄漏,那么此液冷板就判為報(bào)廢。這樣規(guī)定主要是考慮軍品的可靠性。若不是軍品，可不受此限制。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 液冷板耐壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對某型號的液冷板進(jìn)行了修復(fù)工藝驗(yàn)證，液冷板確定漏點(diǎn)后，經(jīng)過酸洗、水洗、烘干后，連接在灌注裝置上填充修復(fù)液。液冷板的漏點(diǎn)檢測如圖6所示。圖片中冒氣泡點(diǎn)即為漏點(diǎn)，液冷板在灌注裝置上的連接方式如圖7所示。

圖6 液冷板浸沒水箱中漏點(diǎn)檢測圖Fig.6 Detection diagram of the leakage point in the liquid cooling plate immersed water tank

圖7 液冷板與灌注裝置連接方式圖Fig.7 Connection mode of liquid cooling plate andperfusion device

經(jīng)過灌注修復(fù)液、保壓初固、修復(fù)劑回收、保溫固化、流道表面清洗后即進(jìn)行耐壓檢測,以再次確定修復(fù)后的液冷板是否還有漏點(diǎn)。液冷板在2.5 MPa壓力下做耐壓檢測，保壓30 min確認(rèn)液冷板是否有泄漏。液冷板耐壓檢測原理如圖8所示。液冷板通過夾持工裝、接頭和氣管連接在耐壓檢測設(shè)備上，并浸沒于水箱中。耐壓設(shè)備壓力設(shè)置為2.5 MPa，保持30 min，若浸沒的液冷板周邊沒有氣泡產(chǎn)生，并且保壓沒有下降，則說明液冷板沒有泄漏，氣密性符合設(shè)計(jì)要求[20]。分析認(rèn)為，修復(fù)后耐壓效果好，原因在于缺陷的不規(guī)則性，厭氧膠浸滲固化與基體相互嵌頓成一體。修復(fù)的液冷接頭5 MPa也能承受。

圖8 液冷板耐壓檢測原理圖Fig.8 Schematic diagram of pressure resistance detection of liquid cooling plate

修復(fù)后的液冷板在2.5 MPa、保壓30 min檢測，保壓沒有下降，滿足液冷板的氣密性要求。修復(fù)后耐壓檢測效果如圖9所示。

圖9 修復(fù)后液冷板浸沒水箱中耐壓檢測效果圖Fig.9 Effect diagram of pressure resistance test in liquid cooled board immersed water tank after repair

3.2 液冷板流阻測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過耐壓檢測后的液冷板再進(jìn)行流阻測試，確認(rèn)流阻滿足設(shè)計(jì)要求。在無明顯機(jī)械振動(dòng)和沖擊、無工業(yè)干擾、供電正常且場所干凈的環(huán)境、溫度5～30 ℃、相對濕度(RH)20%～95%、在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境下進(jìn)行流阻測試。

測試時(shí)通過液冷板進(jìn)出口位置的壓力差測得流阻，通過改變流量獲得不同流量下的壓力差值；以壓力差值為縱坐標(biāo)，以流量作為橫坐標(biāo)，繪制出的流動(dòng)阻力曲線如圖10所示。

圖10 液冷板流動(dòng)阻力曲線圖Fig.10 Flow resistance curve diagram of the liquid cooling plate

設(shè)計(jì)要求液冷板在工作流量為1.5 L/min條件下，液冷板進(jìn)出口壓差要小于170 kPa。實(shí)驗(yàn)中選擇了4個(gè)流量點(diǎn)測量進(jìn)出口壓差，流量分別為0.5、1.0、1.5和2.0 L/min。

從圖10可以看出，在工作流量為1.5 L/min條件下，流動(dòng)阻力為138 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

另外,將修復(fù)后的液冷板剖開觀察,流道內(nèi)干凈清潔,沒有任何的殘留膠質(zhì)存在。根本原因是使用的膠粘劑為厭氧膠，在修復(fù)縫隙中自然而然形成絕氧環(huán)境，從而固化。然而，其流道內(nèi)有充分的氧氣，放置或保溫時(shí)長過長也不會固化，仍然維持液態(tài)，用水沖洗而干凈。不因凝固而在流道內(nèi)形成異物，這點(diǎn)對液冷板修復(fù)難能可貴。

3.3 環(huán)境實(shí)驗(yàn)測試

修復(fù)的液冷板視同正常液冷板隨同整機(jī)通過了規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)測試。項(xiàng)目主要包括：高溫、低溫、溫度沖擊、濕熱、振動(dòng)、沖擊等，這表明了修復(fù)劑具備系統(tǒng)要求的環(huán)境適應(yīng)性。

4 應(yīng)用

利用液冷板修復(fù)技術(shù)，已修復(fù)了較多的液冷板、液冷模塊、液冷接頭等，如圖11所示。

圖11 部分修復(fù)實(shí)物照片F(xiàn)ig.11 Part of the restored physical photos

目前，可修復(fù)缺陷范圍：三維尺寸中最小維度尺寸值小于等于0.25的任何滲漏缺陷，其余2個(gè)維度尺寸無要求?？尚迯?fù)液冷板、液冷模塊、液冷接頭甚至液冷系統(tǒng)。

5 結(jié)語

(1)應(yīng)用厭氧膠對某型液冷板滲漏缺陷實(shí)現(xiàn)了修復(fù)；

(2)該修復(fù)工藝實(shí)施無需增加任何的專用設(shè)備，修復(fù)液僅需填充缺陷縫隙(用量極少)及必要的工藝消耗(即內(nèi)流道表面的膠液粘附)，成本低，工藝過程簡單易行，修復(fù)效果良好；

(3)對修復(fù)后的液冷板進(jìn)行了氣密耐壓測試，表明修復(fù)后的液冷板氣密性良好，滿足設(shè)計(jì)氣密性要求。同時(shí)，對修復(fù)的液冷板也進(jìn)行了流動(dòng)阻力測試實(shí)驗(yàn)，得到了液冷板流動(dòng)阻力曲線，實(shí)驗(yàn)曲線表明修復(fù)后的液冷板滿足設(shè)計(jì)要求；

(4)修復(fù)技術(shù)脫胎于浸滲[21]而優(yōu)于浸滲。具體表現(xiàn)：使用及消耗厭氧膠少得多；不需要系統(tǒng)的浸滲設(shè)備，僅借助液冷板生產(chǎn)已具備的耐壓檢測設(shè)備；修復(fù)缺陷的范圍擴(kuò)大，浸滲對檢測時(shí)連續(xù)冒泡缺陷無能為力。如此，主要得力于“1#修復(fù)液”和“2#修復(fù)液”聯(lián)合應(yīng)用；

(5)修復(fù)液冷板能夠耐受裝備要求的環(huán)境適應(yīng)需求。至于修復(fù)液冷板的耐久性仍需進(jìn)一步的開展驗(yàn)證。