Piastre di raffreddamento a liquido brasate: Guida tecnica alle soluzioni termiche ad alte prestazioni

Con l'aumento costante della densità di potenza nei sistemi per veicoli elettrici, nel calcolo ad alte prestazioni, nell'accumulo di energia e nell'elettronica di potenza, le piastre di raffreddamento a liquido sono diventate una delle soluzioni di raffreddamento più efficienti disponibili.

Tra le varie tecnologie di produzione, la piastra di raffreddamento a liquido brasata si distingue per la sua affidabilità strutturale, le prestazioni di tenuta e la capacità di supportare canali di flusso interni complessi.

Questo articolo fornisce una panoramica professionale su:

· Scelta del materiale (rame o alluminio)

principi della brasatura sottovuoto

• flusso del processo di produzione

· i vantaggi della tecnologia di brasatura sottovuoto delle piastre fredde a liquido

• validazione delle prestazioni e controllo della qualità

· scenari applicativi

1. Cos'è una piastra fredda a liquido brasata?

Una piastra di raffreddamento a liquido brasata è un componente termico metallico multistrato realizzato sovrapponendo e unendo sottili lamiere metalliche, tipicamente leghe di alluminio, tramite brasatura sottovuoto. Il processo crea canali di raffreddamento interni sigillati, in grado di sopportare elevate pressioni e flussi termici.

A differenza delle lamiere lavorate meccanicamente o saldate per attrito, una lamiera brasata a freddo sottovuoto crea un legame metallurgico tra gli strati utilizzando un metallo d'apporto con un punto di fusione inferiore rispetto al materiale di base. Il metallo di base rimane solido, mentre il materiale d'apporto per brasatura si fonde e fluisce per capillarità, formando giunzioni ad alta resistenza.

Le caratteristiche principali includono:

• Resistenza del legame metallurgico fino all'80-95% del metallo base

· velocità di perdita ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s

• Resistenza all'alta pressione (pressione di scoppio ≥ 3 volte la pressione di esercizio)

· bassa resistenza termica interfacciale

• Capacità di progettazione di canali di flusso complessi multistrato

2. Scelta del materiale: alluminio o rame

Nei sistemi di raffreddamento a liquido si utilizzano principalmente due materiali:

2.1 lega di alluminio

L'alluminio è ampiamente utilizzato per i seguenti motivi:

• densità inferiore (circa 1/3 del rame)

· costi dei materiali inferiori

• buona conducibilità termica (150–200 W/m·K)

• eccellente resistenza alla corrosione

· compatibilità con la brasatura sottovuoto

materiali tipici:

· Lamiere di alluminio rivestite 3003/4343

· Alluminio 6061 per le strutture di base

L'alluminio è la soluzione preferibile, a meno che non sia richiesta una capacità di dissipazione del calore estremamente elevata.

2.2 rame

Offerte di rame:

• conducibilità termica fino a 400 W/m·K

• eccellenti prestazioni di dissipazione del calore

Tuttavia:

· peso significativamente più elevato

· costi più elevati

· elaborazione più complessa

Pertanto, il rame è generalmente riservato ad applicazioni ad alto flusso magnetico, come i sistemi laser o i moduli di potenza estrema.

3. Tecnologie di saldatura utilizzate nelle piastre a freddo liquido

Le piastre raffreddate ad acqua vengono generalmente prodotte utilizzando uno dei seguenti processi di giunzione:

brasatura sottovuoto

• saldatura per attrito-agitazione

saldatura laser

• saldatura ad arco di argon

· saldatura per diffusione

Tra queste, la tecnologia di brasatura sottovuoto a piastra fredda liquida è ampiamente adottata per i prodotti in alluminio grazie alla flessibilità strutturale e all'efficienza della produzione in serie.

4. principio della brasatura sottovuoto

La brasatura sottovuoto viene eseguita all'interno di un forno ad alto vuoto (≤5×10⁻³ pa). Il processo prevede:

• Riscaldamento dell'intero gruppo sotto vuoto.

• Il metallo d'apporto (strato di rivestimento come la lega di alluminio 4343) fonde a circa 580–600 °C.

• Il materiale d'apporto fuso fluisce per capillarità nelle fessure delle giunzioni.

• La diffusione avviene tra il materiale di riempimento e il metallo di base.

• Dopo un raffreddamento controllato si forma un legame metallurgico.

rimozione del film di ossido nell'alluminio

Le superfici di alluminio formano naturalmente uno strato stabile di ossido di al₂o₃, che inibisce la bagnatura.

nella brasatura sottovuoto:

• Il magnesio (mg) agisce come attivatore.

• Il magnesio reagisce con l'ossigeno e l'umidità residui.

• Il vapore di magnesio diffonde sotto la pellicola di ossido.

• La formazione di una fase Al-Si-Mg a basso punto di fusione interrompe l'adesione dell'ossido.

• Il materiale d'apporto fuso bagna e si diffonde lungo la superficie del metallo di base.

Questo meccanismo consente una giunzione pulita e senza flussante e migliora significativamente la resistenza alla corrosione.

5. processo di fabbricazione di piastre fredde a liquido brasate

5.1 Preparazione delle materie prime

· verifica della lamiera di alluminio rivestita

· misurazione dello spessore

· ispezione della pulizia della superficie

· Verifica di conformità RoHS/REACH

· sgrassaggio e attivazione acida

5.2 Progettazione e simulazione

• simulazione termofluidodinamica CFD

· analisi strutturale FEA

• Previsione della deformazione durante la brasatura

· ottimizzazione DFM

5.3 stampaggio e formatura di canali

La stampatura progressiva forma canali interni.

parametri tipici:

· profondità del canale: 0,8–5,0 mm

· Altezza della bava: ≤0,02 mm

• Tolleranza di posizione: ±0,03 mm

5.4 pulizia di precisione

· sgrassaggio alcalino

• Pulizia a ultrasuoni (40 kHz, 50 °C)

· attivazione acida

· di water rinse

· asciugatura ad aria calda

La pulizia è fondamentale per garantire una corretta bagnatura durante la brasatura.

5.5 impilamento e assemblaggio

• Allineamento degli strati mediante dispositivi di fissaggio di precisione

• tolleranza di posizionamento ≤0,05 mm

· Intercapedine tra gli strati uniformi: 0,05–0,15 mm

· fissazione temporanea

5.6 ciclo di brasatura sottovuoto

· caricare nella fornace

· vuoto ≤5×10⁻³ pa

· riscaldamento controllato a 580–600 °C

· tenere premuto per 5–15 minuti

• raffreddamento controllato per ridurre al minimo lo stress

Il riscaldamento uniforme garantisce una distorsione termica minima e una formazione omogenea delle giunzioni.

5.7 Processi post-brasatura

· spianatura idraulica

· lavorazione CNC delle porte

• rettifica della superficie di tenuta (ra ≤1,6 μm)

· sbavatura

· pulizia finale

6. I vantaggi della tecnologia delle piastre fredde a liquido brasate sottovuoto

I vantaggi della produzione di piastre fredde liquide brasate sottovuoto includono:

6.1 elevata integrità strutturale

È possibile brasare simultaneamente più giunti su tutta la superficie. Il forno consente l'impilamento, permettendo la lavorazione in lotti.

6.2 eccellente resistenza alla pressione

I prodotti resistono ad elevate pressioni di esercizio senza deformarsi.

tipico:

· pressione di esercizio: 1,0 MPa

· pressione di scoppio: ≥3,0 mpa

6.3 tenuta stagna superiore

Tasso di perdita di elio:

≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s

Ideale per sistemi di veicoli elettrici e HPC di lunga durata.

6.4 stress termico minimo

L'intero gruppo viene riscaldato in modo uniforme, riducendo la distorsione e le tensioni residue.

6.5 Capacità di canali di flusso complessi

La brasatura sottovuoto consente:

· canali serpentini

· canali paralleli

· strutture dei rami degli alberi

reti a griglia

La topologia complessa migliora la distribuzione del flusso e l'uniformità termica.

6.6 eccellente resistenza alla corrosione

Non viene utilizzato alcun residuo di flussante, prevenendo così problemi di corrosione post-processo.

7. Validazione delle prestazioni e controllo della qualità

7.1 Test di tenuta

· mantenimento della pressione dell'aria

· test con spettrometro di massa all'elio

• Test di pressione dell'acqua (1,5 volte la pressione di esercizio)

7.2 Test delle prestazioni termiche

· carico termico simulato (500–5000 W)

· misurazione della resistenza termica

· accettazione: ≤ valore di progettazione +10%

7.3 Test strutturali

· prova di pressione di scoppio

• cicli di pressione (100.000 cicli)

• Test di vibrazione (10–500 Hz)

7.4 affidabilità ambientale

· nebbia salina ≥48–96 ore

• ciclo termico

8. Applicazioni delle piastre fredde a liquido brasate

Grazie alla loro affidabilità e flessibilità strutturale, le soluzioni di piastre fredde a liquido brasate sono ampiamente utilizzate in:

· pacchi batteria per veicoli elettrici

· moduli IGBT

· inverter ad alta potenza

• Raffreddamento a liquido per GPU/CPU

· Sistemi di comunicazione 5G

· apparecchiature laser

• sistemi di diagnostica per immagini

Nelle applicazioni ad alta densità di potenza, dove il raffreddamento ad aria è insufficiente, la tecnologia delle piastre di raffreddamento a liquido brasate sottovuoto offre una gestione termica stabile e a lungo termine.

9. Limitazioni della brasatura sottovuoto

Sebbene sia molto efficace, la brasatura sottovuoto presenta alcune considerazioni:

· costi elevati di investimento per la caldaia

· processo ad alta intensità energetica

· La durezza del materiale diminuisce dopo un ciclo ad alta temperatura

· richiede una pulizia rigorosa e un controllo preciso del processo

Tuttavia, per la produzione di volumi medio-alti con strutture di canali complesse, i vantaggi superano questi limiti.

Una piastra di raffreddamento a liquido brasata rappresenta una delle soluzioni più affidabili e strutturalmente avanzate nella moderna tecnologia delle piastre di raffreddamento a liquido.

mediante brasatura sottovuoto:

· vengono realizzati complessi sistemi di canali multistrato

· si ottiene una tenuta ad alta pressione

• viene mantenuta una bassa resistenza termica

• la resistenza alla corrosione è migliorata

Quando le prestazioni termiche, l'affidabilità strutturale e la lunga durata sono fondamentali, una piastra di raffreddamento a liquido brasata sottovuoto offre una soluzione collaudata e scalabile per applicazioni di raffreddamento industriali ed elettroniche esigenti.