แผ่นระบายความร้อนเหลวแบบเชื่อมประสาน: คู่มือทางวิศวกรรมสำหรับโซลูชันระบายควา

เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานในระบบรถยนต์ไฟฟ้า คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง ระบบจัดเก็บพลังงาน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวจึงกลายเป็นหนึ่งในโซลูชันการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดที่มีอยู่

ในบรรดาเทคโนโลยีการผลิตต่างๆ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบเชื่อมประสานนั้นโดดเด่นในด้านความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง ประสิทธิภาพการปิดผนึก และความสามารถในการรองรับช่องทางการไหลภายในที่ซับซ้อน

บทความนี้ให้ภาพรวมเชิงวิชาชีพเกี่ยวกับ:

• การเลือกวัสดุ (ทองแดงเทียบกับอลูมิเนียม)

· หลักการเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ

· แผนผังกระบวนการผลิต

• ข้อดีของเทคโนโลยีแผ่นระบายความร้อนเหลวแบบเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ

• การตรวจสอบประสิทธิภาพและการควบคุมคุณภาพ

· สถานการณ์การใช้งาน

1. แผ่นระบายความร้อนเหลวแบบเชื่อมประสานคืออะไร?

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบเชื่อมประสานเป็นชิ้นส่วนระบายความร้อนโลหะหลายชั้นที่ผลิตโดยการซ้อนและเชื่อมแผ่นโลหะบางๆ—โดยทั่วไปคือโลหะผสมอะลูมิเนียม—ผ่านกระบวนการเชื่อมประสานในสุญญากาศ กระบวนการนี้จะสร้างช่องระบายความร้อนภายในที่ปิดสนิทซึ่งสามารถรองรับแรงดันสูงและอัตราการถ่ายเทความร้อนสูงได้

แตกต่างจากแผ่นโลหะที่ผ่านการกลึงหรือการเชื่อมแบบเสียดทาน แผ่นโลหะที่เชื่อมด้วยวิธีเชื่อมเย็นแบบสุญญากาศจะสร้างพันธะทางโลหะวิทยาขึ้นระหว่างชั้นโดยใช้โลหะตัวเติมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าวัสดุฐาน โลหะฐานยังคงอยู่ในสถานะของแข็ง ในขณะที่โลหะตัวเติมจะละลายและไหลไปตามแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยเพื่อสร้างรอยต่อที่มีความแข็งแรงสูง

ลักษณะสำคัญได้แก่:

• ความแข็งแรงในการยึดติดทางโลหะวิทยา สูงถึง 80–95% ของโลหะพื้นฐาน

• อัตราการรั่วไหล ≤ 1×10⁻⁷ มิลลิบาร์·ลิตร/วินาที

• ทนทานต่อแรงดันสูง (แรงดันระเบิด ≥ 3 เท่าของแรงดันใช้งาน)

• ความต้านทานความร้อนที่พื้นผิวต่ำ

• ความสามารถในการออกแบบช่องทางการไหลแบบหลายชั้นที่ซับซ้อน

2. การเลือกวัสดุ: อลูมิเนียมเทียบกับทองแดง

วัสดุหลักสองชนิดที่ใช้ในแผ่นทำความเย็นแบบเหลว ได้แก่:

2.1 โลหะผสมอลูมิเนียม

อะลูมิเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจาก:

• ความหนาแน่นต่ำกว่า (ประมาณ 1/3 ของทองแดง)

· ต้นทุนวัสดุที่ต่ำกว่า

• มีค่าการนำความร้อนที่ดี (150–200 วัตต์/เมตร·เคลวิน)

· ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม

· สามารถใช้งานร่วมกับการเชื่อมประสานด้วยระบบสุญญากาศได้

วัสดุทั่วไป:

แผ่นอลูมิเนียมเคลือบ 3003/4343

• อะลูมิเนียม 6061 สำหรับโครงสร้างฐาน

อะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่นิยมใช้มากที่สุด เว้นแต่ว่าต้องการคุณสมบัติการกระจายความร้อนที่สูงมากเป็นพิเศษ

2.2 ทองแดง

คุณสมบัติของทองแดง:

• ค่าการนำความร้อนสูงถึง 400 วัตต์/เมตร·เคลวิน

• ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนดีเยี่ยม

อย่างไรก็ตาม:

· น้ำหนักที่สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

· ต้นทุนที่สูงขึ้น

· การประมวลผลที่ยากขึ้น

ดังนั้น โดยทั่วไปแล้วทองแดงจึงถูกสงวนไว้สำหรับการใช้งานที่ต้องการฟลักซ์สูง เช่น ระบบเลเซอร์หรือโมดูลกำลังสูงมาก

3. เทคโนโลยีการเชื่อมที่ใช้ในแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลว

โดยทั่วไปแล้ว แผ่นระบายความร้อนด้วยน้ำจะผลิตโดยใช้กระบวนการเชื่อมต่ออย่างใดอย่างหนึ่งดังต่อไปนี้:

· การเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ

· การเชื่อมแบบเสียดทานกวน (Friction Stir Welding)

· การเชื่อมด้วยเลเซอร์

· การเชื่อมด้วยอาร์กอาร์กอน

· การเชื่อมแบบแพร่กระจาย

ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ เทคโนโลยีแผ่นระบายความร้อนเหลวแบบเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์อลูมิเนียม เนื่องจากมีความยืดหยุ่นทางโครงสร้างและประสิทธิภาพในการผลิตจำนวนมาก

4. หลักการเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ

การเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศจะดำเนินการภายในเตาสุญญากาศสูง (≤5×10⁻³ pa) กระบวนการนี้ประกอบด้วย:

• การให้ความร้อนแก่ชุดประกอบทั้งหมดภายใต้สภาวะสุญญากาศ

• โลหะตัวเติม (เช่น ชั้นเคลือบ เช่น โลหะผสมอะลูมิเนียม 4343) จะหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 580–600 องศาเซลเซียส

• วัสดุอุดที่หลอมเหลวจะไหลเข้าไปในช่องว่างระหว่างรอยต่อด้วยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย

• การแพร่กระจายเกิดขึ้นระหว่างวัสดุเติมและโลหะพื้นฐาน

• การเชื่อมประสานทางโลหะวิทยาเกิดขึ้นหลังจากการระบายความร้อนอย่างควบคุม

การกำจัดฟิล์มออกไซด์ในอะลูมิเนียม

พื้นผิวอะลูมิเนียมจะเกิดชั้นออกไซด์ al₂o₃ ที่เสถียรขึ้นเองตามธรรมชาติ ซึ่งจะยับยั้งการเปียกน้ำ

ในการเชื่อมประสานด้วยระบบสุญญากาศ:

• แมกนีเซียม (มก.) ทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้น

· มิลลิกรัมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและความชื้นที่เหลืออยู่

· ไอระเหยของมิลลิกรัมแพร่กระจายผ่านฟิล์มออกไซด์

• การก่อตัวของเฟสอะลูมิเนียม-ซิลิคอน-แมกนีเซียมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำทำให้การยึดเกาะของออกไซด์แตกออก

• สารเติมแต่งที่หลอมเหลวจะเปียกและกระจายตัวไปตามพื้นผิวโลหะฐาน

กลไกนี้ช่วยให้การเชื่อมเป็นไปอย่างสะอาด ปราศจากสารช่วยประสาน และช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างมาก

5. กระบวนการผลิตแผ่นระบายความร้อนเหลวแบบบัดกรี

5.1 การเตรียมวัตถุดิบ

· การตรวจสอบแผ่นอลูมิเนียมเคลือบ

· การวัดความหนา

· การตรวจสอบความสะอาดของพื้นผิว

· การตรวจสอบการปฏิบัติตามมาตรฐาน RoHS/REAC

• การขจัดคราบไขมันและการกระตุ้นด้วยกรด

5.2 การออกแบบและการจำลอง

· การจำลองความร้อนและของไหล CFD

· การวิเคราะห์โครงสร้าง FEA

· การทำนายการเสียรูปจากการเชื่อมประสาน

· การเพิ่มประสิทธิภาพ dfm

5.3 การปั๊มขึ้นรูปและการขึ้นรูปราง

การปั๊มขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์แบบต่อเนื่องจะสร้างช่องภายใน

พารามิเตอร์ทั่วไป:

• ความลึกของร่อง: 0.8–5.0 มม.

• ความสูงของครีบ: ≤0.02 มม.

• ค่าความคลาดเคลื่อนของตำแหน่ง: ±0.03 มม.

5.4 การทำความสะอาดอย่างแม่นยำ

· การล้างคราบไขมันด้วยด่าง

• การทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราโซนิค (40 kHz, 50°C)

· การกระตุ้นด้วยกรด

• การล้างด้วยน้ำ

· การอบแห้งด้วยลมร้อน

ความสะอาดเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการเชื่อมประสานจะเกิดขึ้นอย่างเหมาะสม

5.5 การซ้อนและการประกอบ

• การจัดแนวชั้นโดยใช้ฟิกซ์เจอร์ที่มีความแม่นยำสูง

• ค่าความคลาดเคลื่อนในการกำหนดตำแหน่ง ≤0.05 มม.

• ช่องว่างระหว่างชั้นสม่ำเสมอ: 0.05–0.15 มม.

· การตรึงชั่วคราว

5.6 รอบการเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ

· โหลดเข้าเตาเผา

· สุญญากาศ ≤5×10⁻³ pa

• ควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ที่ 580–600°C

• ค้างไว้ 5-15 นาที

• การระบายความร้อนอย่างเป็นระบบเพื่อลดความเครียดให้น้อยที่สุด

การให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอช่วยลดการบิดเบี้ยวจากความร้อนและทำให้รอยต่อเกิดขึ้นอย่างเรียบเนียน

5.7 กระบวนการหลังการเชื่อมประสาน

· การปรับพื้นด้วยระบบไฮดรอลิก

· การผลิตพอร์ตด้วยเครื่อง CNC

• การเจียรผิวซีล (ra ≤1.6μm)

· การลบคม

· การทำความสะอาดขั้นสุดท้าย

6. ข้อดีของเทคโนโลยีแผ่นระบายความร้อนเหลวแบบเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ

ข้อดีของการผลิตแผ่นระบายความร้อนเหลวด้วยวิธีการเชื่อมประสานสุญญากาศ ได้แก่:

6.1 ความสมบูรณ์ของโครงสร้างสูง

สามารถเชื่อมประสานหลายจุดพร้อมกันได้ทั่วทั้งพื้นผิว เตาหลอมนี้รองรับการวางซ้อน ทำให้สามารถประมวลผลเป็นชุดได้

6.2 ความทนทานต่อแรงดันที่ดีเยี่ยม

ผลิตภัณฑ์สามารถทนต่อแรงดันใช้งานสูงโดยไม่เสียรูปทรง

ทั่วไป:

• แรงดันใช้งาน: 1.0 MPa

• แรงดันระเบิด: ≥3.0 mpa

6.3 ความแน่นหนาในการป้องกันการรั่วซึมที่เหนือกว่า

อัตราการรั่วไหลของฮีเลียม:

≤ 1×10⁻⁷ มิลลิบาร์·ลิตร/วินาที

เหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบ EV และ HPC ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน

6.4 ความเครียดจากความร้อนขั้นต่ำ

ชิ้นส่วนทั้งหมดได้รับความร้อนอย่างสม่ำเสมอ ช่วยลดการบิดเบี้ยวและความเครียดตกค้าง

6.5 ความสามารถในการไหลผ่านช่องทางที่ซับซ้อน

การเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศช่วยให้:

· ช่องทางคดเคี้ยว

· ช่องทางคู่ขนาน

· โครงสร้างกิ่งก้านสาขา

· เครือข่ายกริด

โครงสร้างที่ซับซ้อนช่วยปรับปรุงการกระจายการไหลและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ

6.6 ทนทานต่อการกัดกร่อนดีเยี่ยม

ไม่มีสารตกค้างจากฟลักซ์ จึงช่วยป้องกันปัญหาการกัดกร่อนหลังกระบวนการผลิต

7. การตรวจสอบประสิทธิภาพและการควบคุมคุณภาพ

7.1 การทดสอบการรั่วไหล

· การรักษาแรงดันอากาศ

· การทดสอบเครื่องสเปกโทรเมตรมวลฮีเลียม

• ทดสอบแรงดันน้ำ (1.5 เท่าของแรงดันใช้งาน)

7.2 การทดสอบประสิทธิภาพทางความร้อน

• จำลองภาระความร้อน (500–5000 วัตต์)

· การวัดความต้านทานความร้อน

• การยอมรับ: ≤ ค่าที่ออกแบบ +10%

7.3 การทดสอบโครงสร้าง

· การทดสอบแรงดันระเบิด

• การทดสอบการเปลี่ยนแปลงความดัน (100,000 รอบ)

• การทดสอบการสั่นสะเทือน (10–500 เฮิรตซ์)

7.4 ความน่าเชื่อถือด้านสิ่งแวดล้อม

· ละอองเกลือ ≥48–96 ชั่วโมง

· การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

8. การประยุกต์ใช้แผ่นระบายความร้อนเหลวแบบบัดกรี

เนื่องจากความน่าเชื่อถือและความยืดหยุ่นทางโครงสร้าง แผ่นระบายความร้อนเหลวแบบเชื่อมประสานจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานต่างๆ ดังนี้:

· ชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า

· โมดูล igbt

· อินเวอร์เตอร์กำลังสูง

· ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับ GPU/CPU

· ระบบสื่อสาร 5G

· อุปกรณ์เลเซอร์

· ระบบการถ่ายภาพทางการแพทย์

ในงานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงซึ่งการระบายความร้อนด้วยอากาศไม่เพียงพอ เทคโนโลยีแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศช่วยให้การจัดการความร้อนมีเสถียรภาพและยั่งยืนในระยะยาว

9. ข้อจำกัดของการเชื่อมประสานด้วยสุญญากาศ

แม้ว่าการเชื่อมประสานด้วยระบบสุญญากาศจะมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็มีข้อควรพิจารณา:

· ต้นทุนการลงทุนเตาหลอมสูง

• กระบวนการที่ใช้พลังงานสูง

• ความแข็งของวัสดุลดลงหลังจากผ่านวงจรอุณหภูมิสูง

• ต้องมีการทำความสะอาดและควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวด

อย่างไรก็ตาม สำหรับการผลิตในปริมาณปานกลางถึงสูงที่มีโครงสร้างช่องทางการจัดจำหน่ายที่ซับซ้อน ประโยชน์ที่ได้รับนั้นมีมากกว่าข้อจำกัดเหล่านี้

แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบเชื่อมประสานเป็นหนึ่งในโซลูชันที่มีความน่าเชื่อถือและโครงสร้างล้ำหน้าที่สุดในเทคโนโลยีแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวสมัยใหม่

โดยใช้การเชื่อมประสานด้วยระบบสุญญากาศ:

• มีการสร้างระบบช่องสัญญาณหลายชั้นที่ซับซ้อนขึ้นมา

• สามารถบรรลุประสิทธิภาพการซีลแรงดันสูงได้

• รักษาค่าความต้านทานความร้อนต่ำไว้

• ความต้านทานการกัดกร่อนดีขึ้น

เมื่อประสิทธิภาพด้านความร้อน ความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง และอายุการใช้งานที่ยาวนานมีความสำคัญ แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบเชื่อมประสานสุญญากาศจึงเป็นโซลูชันที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและปรับขนาดได้สำหรับงานระบายความร้อนในอุตสาหกรรมและอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความต้องการสูง