一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及液冷散熱技術領域，本實用新型公開了一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，所述液冷通道采用金屬快速成型工藝制備，液冷通道的截面為直線與弧線連接形成的環形結構，環形結構沿金屬堆積方向為圓角矩形；液冷通道的頂部為平面，其平面通過兩個弧形與液冷通道的其余壁相連接。通過將液冷通道的頂部設置為平面，避免了圓弧頂點的出現，同時該平面通過兩個弧形與液冷通道的其余壁相連接，也保持了截面較為優良的力學特性。因為采用該結構，使得最小金屬壁厚可以降至0.5?0.6mm。
【專利說明】
一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道
技術領域
[0001] 本實用新型涉及液冷散熱技術，具體是一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液 冷通道，可得到最薄的密封壁厚。
【背景技術】
[0002] 液冷散熱是電子行業對高發熱電子芯片的常用冷卻方式。其原理是在電子芯片安 裝板(同時起冷卻作用，又稱冷板)的內部設置液冷通道，通入冷卻液，利用冷卻液將電子芯 片產生的熱量帶走，從而給電子芯片散熱降溫。
[0003] 提高液冷散熱效率的一種有效途徑，是盡量縮短發熱芯片與冷卻液間的傳熱距 離，即如圖1所示，盡量減薄液冷通道的頂板壁厚（圖中尺寸H)，從而減少傳熱溫差。含有液 冷通道的冷板的傳統設計方法，是將冷板分為上下兩個部分分別加工，然后再焊接一體。其 中含液冷通道的部分，其加工方法，包括線切割、銑加工、電火花加工等工藝。這類工藝中， 由于加工方式、加工工藝等限制，僅能加工簡單截面形狀的液冷通道，然后再與另一部分焊 接一體。基于焊接密封可靠性和焊縫承受冷卻液壓力的考慮，一般情況下液冷通道頂板厚 度不小于1mm，且各液冷通道間距不低于2mm。
[0004] 快速成型技術，自上世紀80年代誕生以來不斷發展，近年來基于金屬材料的快速 成型技術已具有一定的技術成熟度，其已廣泛用于電子、航空航天、特種制造等行業，利用 快速成型工藝制造各種含液冷通道的電子芯片安裝板(冷板)也屢見不鮮，基于快速成型工 藝來設計電子芯片冷板，無須將冷板分為兩個部分分別加工，也省卻了焊接這道工序，屬于 一次成型工藝，因而獲得越來越多的關注。
[0005] 通常，受到快速成型工藝的約束，制作的液冷通道在堆積成型方向上通道頂部的 頂板壁厚至少要達到3_4mm，否則極易產生滲漏孔隙和空穴，造成液冷通道密封失效。而過 厚的頂板壁厚對散熱效率的負面影響很大。

【發明內容】

[0006] 針對現有技術中的頂板壁厚厚度至少在3_4mm，導致對散熱效率的負面影響很大 的技術問題，本實用新型公開了一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道。
[0007] 本實用新型的技術方案如下
[0008] 本實用新型公開了一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，所述液冷通 道采用金屬快速成型工藝制備，液冷通道的截面為直線與弧線連接形成的環形結構，環形 結構沿金屬堆積方向為圓角矩形;液冷通道的頂部為平面，其平面通過兩個弧形與液冷通 道的其余壁相連接。通過將液冷通道的頂部設置為平面，避免了圓弧頂點的出現，同時該平 面通過兩個弧形與液冷通道的其余壁相連接，也保持了截面較為優良的力學特性。因為采 用該結構，使得最小金屬壁厚可以降至〇. 5-0.6_。
[0009] 更進一步地，連接頂部平面的兩個弧形的半徑相等。當然半徑也可以不相等。
[0010] 更進一步地，弧形與各直線平面采取平滑方式進行過渡。采用平滑過渡可以避免 圓弧曲率與直線交叉所形成的硬過渡交點，從而避免在快速成型加工過程中對硬交點處反 復激光燒結，使得燒結處反復熔融，破壞原始成型結構。
[0011] 更進一步地，連接頂部平面的兩個弧形的半徑R1、R2取值在0. 之間，弧頂 平面長度取值在0 ? lmm-lmm之間。特別的，在兩個弧形的半徑R1、R2取值在0 ? lmm-2 ? 9mm，弧 頂平面長度取值在0. lmm-0.9mm之間，產品的一次成品率較高。
[0012]通過采用以上的技術方案，本實用新型的有益效果為:大幅降低基于金屬快速成 型工藝制造的密封液冷通道所需金屬壁厚度，最小金屬壁厚由降至0.5-0.6mm，從 而提尚液冷通道散熱能力。
【附圖說明】
[0013]圖1為液冷散熱原理示意圖。
[0014] 圖2為金屬快速成型工藝流程。
[0015] 圖3為不同流道截面形狀的冷板結構示意圖。
[0016] 圖4為金屬快速成型工藝示意圖。
[0017] 圖5為基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道的設計方法示意圖。
[0018] 圖6 -圖8為a、b、c三種不同截面形狀的方案示意圖。
[0019]其中：11為發熱芯片；12為液冷通道;13為頂板壁厚H; 14為含液冷通道的芯片安裝 板(冷板）。
[0020] 21為激光發射器。
[0021] 31為流道;32為冷板。
[0022] 41為常規燒結區域;21為激光發射器;43為"4"方向燒結區域。
[0023] 51為金屬快速成型基體;52為金屬快速成型堆積方向。
[0024] 61為需散熱電子芯片;62為金屬快速成型堆積方向。
[0025] 71為需散熱電子芯片;7 2為金屬快速成型堆積方向。
【具體實施方式】
[0026]下面結合說明書附圖，詳細說明本實用新型的【具體實施方式】。
[0027]本實用新型公開了一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，其原理圖如 圖1所示。
[0028] 金屬快速成型工藝制造液冷通道流程如圖2所示。快速成型加工工藝采用激光分 層燒結金屬粉末并堆疊的方式制造零件。其原理如圖2所示，在金屬粉末中利用激光發射器 發射激光熔融需要成型部分的粉末，粉末熔融后再冷卻即完成了由粉末向固體的燒結轉 變。對于待加工的零件，一定寬度的激光束首先沿圖2中的"1"方向掃過需要燒結粉末，完成 粉末固化流程。然后激光發射器沿"2"方向移動一個激光束寬度，再次沿"1"方向掃過需要 燒結的粉末。如此循環，重復以上交錯掃掠燒結的過程，直至完成該層所有需要粉末固化的 區域。
[0029] 完成一層平面所有加工后，加工設備會沿如圖2所示的"3"方向再次均勻鋪滿一定 厚度的新的金屬粉末層，然后重復圖2所示過程，加工該平面需要燒結的區域。該過程不斷 反復，直至零件加工完成。
[0030] 由于冷板類產品內部設計有通液流道，需要通流具有一定壓力的冷卻液，因此通 液流道也是一種壓力管道。一般來講，圓形截面或者類圓形截面是壓力管道力學最優截面 形狀，如圖3所示。承受一定壓力的通液流道理論上設計為圓形截面或者類圓形截面時壁厚 最薄。
[0031] 液冷流道為圓形截面或者類圓形截面的冷板，在快速成型制造過程中，大部分流 程與圖2所示流程一致。當制造進行到如圖4所示粉末層，即需要制造圓弧截面頂點層時，加 工方式有一定改變。對于流道圓弧頂點所形成的線狀路徑，根據金屬快速成型工藝規范要 求，加工設備會自動識別該路徑，激光束會沿圖4中"4"方向進行"Z"字型的加強燒結，再次 固化該區域，確保頂點所形成的線狀路徑的金屬粉末充分燒結。當液冷通道頂板壁厚較薄 時，由于激光束在每一個堆積層反復沿"4"方向燒結圓弧頂點所形成的線狀路徑，會造成該 區域反復熔融-凝固-熔融-凝固，形成孔隙或者裂紋，使得液冷通道泄露無法密封。因此，繼 續堆疊粉末層，直至液冷通道頂板厚度達到約3-4_后，激光束的能量不足以熔融穿透較厚 的金屬固體，或者沿厚度方向無法形成貫穿的空隙、裂紋時，液冷管道才可達到密封狀態。
[0032] 通過本專利所述設計方法設計密封液冷通道截面形狀，在利用金屬快速成型技術 制造液冷通道時可以大幅減少通道金屬壁厚。
[0033] 基于金屬快速成型加工的薄壁密封通道的設計方法，其特點是使得液冷通道的截 面既保證為類圓形，使其具有優良的力學特性，又可以避免出現半圓弧型的頂部結構，使其 在制造過程中避免出現圓弧頂點所形成的需要"Z"型路線燒結的路徑。
[0034] 專利所述的結構如圖5所示，在沿金屬堆積方向的液冷通道頂部設計為圓角矩形 形狀，圓弧與各直線平面采取平滑方式進行過渡。這種設計將圓弧型頂部改為了類圓形頂， 避免了圓弧頂點的出現，同時也保持了截面較為優良的力學特性。根據金屬快速成型工藝 的要求，在垂直于地平面的平面內，圓形孔洞截面特征的直徑不能大于6mm。在平行與地平 面的平面內，懸臂結構的懸臂長度(如圖4中T特征)不能超過1mm。因此圖5中圓角半徑R1、 R2及弧頂平面長度1均有限制。圓角半徑R1、R2取值需在0 ? 之間（R1、R2取值可以不 相等），弧頂平面長度1取值在0. lmm-lmm之間。
[0035] 本專利方法支持內部液冷通道的寬度在0.5mm-7mm之間的冷板設計及制造，可以 保持頂板厚度不小于〇. 5mm的密封，成品率約為95%以上。
[0036]為解決某電子芯片散熱問題，分別設計有圖6-圖8a、b、c三種不同截面形狀方案的 基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道。其中方案a采用本專利設計方法設計液冷通 道頂部，方案b液冷通道頂部設計為半圓形，方案c液冷通道頂部設計為矩形。通過金屬快速 成型工藝制造3類樣件并檢測不同通道頂部厚度條件下液冷通道的密封性。a、b、c三種液冷 通道在密封條件下頂部最薄壁厚分別記為Ha、Hb、Hc。
[0037]由于方案b為半圓形，其弧頂會形成需要"Z"字型燒結區域，因此需要較厚的頂板 壁后才能制成密封液冷通道。方案c由于懸臂結構長度超過1mm，超出工藝許可，因此其不能 被成功制造。依據本專利方法設計的方案a，可以制造出極薄壁液冷通道。經過試制，滿足密 封要求的頂部最小壁厚對比如下：
[0039]分別對試制成功的方案a、b兩種冷板進行散熱性能測試。對兩種方案的冷板采用 相同方法各安裝一個同種發熱芯片，并施加20w的熱功率。同時兩種方案的冷板中均同時通 入溫度為25°C，流量為0.51/min的冷卻水，測試發熱芯片殼體溫度，測試結果對比如下：
[0040] 由此可見，采用專利所主張的基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道的設計 方法得到最薄的密封壁厚，與其他設計方式對比具有巨大優勢。同時薄壁液冷通道冷板在 散熱性能上有明顯優勢。
[0041] 上述的實施例中所給出的系數和參數，是提供給本領域的技術人員來實現或使用 實用新型的，實用新型并不限定僅取前述公開的數值，在不脫離實用新型的思想的情況下， 本領域的技術人員可以對上述實施例作出種種修改或調整，因而實用新型的保護范圍并不 被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特征的最大范圍。
【主權項】
1. 一種基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，其特征在于所述液冷通道采用金 屬快速成型工藝制備，液冷通道的截面為直線與弧線連接形成的環形結構，環形結構沿金 屬堆積方向為圓角矩形;液冷通道的頂部為平面，其平面通過兩個弧形與液冷通道的其余 壁相連接。2. 如權利要求1所述的基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，其特征在于連接 頂部平面的兩個弧形的半徑相等。3. 如權利要求1所述的基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，其特征在于連接 頂部平面的兩個弧形的半徑不相等。4. 如權利要求1所述的基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，其特征在于弧形 與各直線平面采取平滑方式進行過渡。5. 如權利要求1所述的基于金屬快速成型工藝的薄壁密封液冷通道，其特征在于連接 頂部平面的兩個弧形的半徑Rl、R2取值在O · 之間，弧頂平面長度取值在O · Imm-Imm 之間。
【文檔編號】B22F3/105GK205464326SQ201620025427
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月12日
【發明人】程皓月, 王延, 程堯, 尹本浩, 祁成武, 陳晉吉
【申請人】中國電子科技集團公司第二十九研究所