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，將熱量導(dǎo)出[2]。

各種類型冷板、液冷機殼和液冷機箱等冷卻構(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]。同時為提升現(xiàn)代電子設(shè)備的裝拆、維護便利性，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、清洗、潔凈度檢測等環(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、機加工切屑等異物極易進入流道，其中流道口螺紋攻絲操作的切削加工部位就在流道口，其防護困難，切屑進入后也較難清除。

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

1 冷板加工過程流道防護技術(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)。冷板焊接后機加工過程需使用大量切削冷卻液對刀具、工件進行冷卻，同時產(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)。針對此問題，在加工過程提前進行有效防護，防止切屑、切削液進入流道，避免后續(xù)大量的反復(fù)清洗和內(nèi)部檢測確認(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)類型進行防護工裝設(shè)計。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，防護工裝可以使用冷板本身的管螺紋進行封堵，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)和防護堵頭工裝示意圖

針對此類冷板設(shè)計使用了不同類型、規(guī)格的堵頭工裝。對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行流道防護。而對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)計使用薄片式防護工裝，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，防護工裝上需沖出自閉合十字槽。

對于其他非螺紋結(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)冷板接口部位臺階底孔的具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計制作防護工裝。設(shè)計工裝時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)計冷板時，需提前考慮流道口的防護，采取預(yù)留工藝螺紋孔等形式，方便防護工裝的實施。無法進行防護的冷板流道口結(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，因此防護工裝可進行分類合并，采用通用化和系列化(圖3)的設(shè)計，以降低成本。

圖3 系列化防護工裝實物

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不當(dāng)易受到污染，如冷板機加工過程中的金屬切屑、油污、切削冷卻液等污染。同時冷板制件的周轉(zhuǎn)過程也極易造成異物進入。因此針對冷板內(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，同時又要對油污、切削液等溶液有高效的清除作用。最終選擇了某型號鋁合金專用清洗劑，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，考察該清洗方法對油污、冷卻液、酸堿液等各類污染物的清除能力。同時進行試驗研究，并在實際制造過程中小批量試用。

3 液冷件內(nèi)部潔凈度檢測技術(shù)

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

本研究以簡單、易行、可量化為主要原則進行設(shè)計，綜合使用化學(xué)、物理檢測方法，并輔以定性檢測，形成液冷系統(tǒng)的檢測方法和潔凈度的檢測流程和評價體系。

3.1 潔凈度檢測方法

對于切屑等固體顆粒型異物，主要使用物理檢測方法。對于一般的冷板構(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；而對于彎曲型流道結(jié)構(gòu)，難以直觀檢測的，可以用內(nèi)窺鏡檢測法，用專用的內(nèi)窺鏡設(shè)備進行目視輔助直觀檢測；對于微通道冷板等內(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光探測等無損檢測方法來觀察流道內(nèi)部的異物殘留情況。

對于化學(xué)液體殘留物，可針對具體污染物分析其化學(xué)成分，選擇易檢測成分做量化檢測，綜合使用物理、化學(xué)檢測方法。例如，對于油脂類殘留，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；或用有機溶劑法，往其流道內(nèi)注入丙酮等有機溶劑，靜置一段時間后，倒出溶液，用潔凈濾紙過濾倒出的有機溶液，觀察是否有油脂殘留。對于離子類殘留的檢測，可應(yīng)用電導(dǎo)測試法。對清洗后的溶液進行電導(dǎo)測試，電導(dǎo)率增加值小于某一閾值為合格，閾值需根據(jù)實際情況確定。

3.2 潔凈度檢測流程

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

圖4 液冷件內(nèi)部潔凈度檢測流程

4 實施效果驗證

使用冷板試樣，加裝防護工裝后在數(shù)控加工中心上進行銑削加工，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。機加工完成后進行后續(xù)的表面處理、裝配等制造工序流程，最終對冷板內(nèi)部的潔凈度進行全面檢測。

試驗結(jié)果表明，機加工過程防護工裝密封性良好，可滿足防止機加工過程切屑、切削冷卻液進入的防護要求。最終檢測結(jié)果顯示，冷板內(nèi)部無超出設(shè)計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，包括液冷機殼、液冷機箱等冷卻構(gòu)件。機加工防護工裝可以作為過程周轉(zhuǎn)防護工裝，延伸應(yīng)用至機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。潔凈度檢測方法的組合應(yīng)用既方便操作，簡化了檢測流程，又具有針對性，可有效把控加工過程質(zhì)量風(fēng)險。

從工程應(yīng)用效果看，該潔凈度控制技術(shù)的實施，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)濟成本和計劃延遲損失。

5 結(jié)束語

研究液冷冷板的防護、清洗和潔凈度檢測技術(shù)對提升電子設(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)的實施面對諸多挑戰(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，污染發(fā)生契機均為細(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，會留有隱患，失控后果嚴(yán)重。

因此，在科研生產(chǎn)實踐中，要進行全流程防控。在此基礎(chǔ)上，針對具體構(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。