一种铜铝复合水冷板及其加工制作方法、水冷散热方法与流程

本发明涉及散热技术领域。

背景技术：

随着电子设备和电子元器件往小型化、轻量化方向发展，元器件的性能要求和功率密度要求进一步提高，由于器件本身的热电耦合特性，其损耗也随之增加。有研究表明，电子设备的常见故障中，由于电子设备温度过高导致设备不能正常工作的高达50%—60%，因此电子设备内的温升必须严格控制，以确保发热元件正常、可靠的运行，而运用良好的散热元件即电子水冷板对这些大功率器件散热是解决上述问题的必经之路。

目前，主流机车上对变流器模块进行排热的散热器装置主要有水冷和风冷两种方式，风冷一般不适用于高功率密度模块的散热要求。而水冷方式中冷却液的对流换热系数高，水冷散热器的换热能力强，且占用空间小、布局紧凑，变流器模块中IGBT等大功率器件的冷却一般选用散热效率高的水冷散热方式。因铝材良好的焊接性、导热性和工艺性能，目前国内外常用的IGBT水冷板都是采用铝材结构，IGBT模块通过螺纹连接的方式，在模块表面与水冷板接触表面涂一层导热硅脂进行固定，元器件的热量通过水冷板内部冷却液带走，以达到散热的效果。传统的铝质水冷板，需要在模块与冷板之间直接涂导热硅脂，再通过螺栓紧固贴合，这样一方面会增加水冷板与模块之间的接触热阻，不利于热量消散；另一方面当导热硅脂干涸时如不及时更换，模块温度会迅速上升，增加了维护成本和后期使用风险。

现有技术中，申请号为201620020908.3的中国实用新型公开了一种水冷散热板，包括下壳体以及设置在下壳体内的上壳体，所述上壳体与所述下壳体密封连接，所述上壳体为一体成型的铜铝复合基板，所述下壳体首尾两端开设有进水口和出水口，所述上壳体下部设有若干散热柱，若干所述散热柱均匀的排设在上壳体下部并扣设在下壳体内部的第一型腔内，所述下壳体内部设有弧形状凸起。申请号为201520138853.1的中国实用新型公开了一种水冷板，包括基板、盖板，盖板连接在基板的背面，基板背面设置有冷却液流道，冷却液流道包括依次相连的入口沉台、中间流道和出口沉台；中间流道采用并联加串联方式连接。中间流道包括若干个流动单元，若干个流动单元并联后其两端分别连接入口沉台和出口沉台；每个流动单元均包括三个浅沉台，其中二个浅沉台并联后与第三个浅沉台串联。以上现有技术，难以满足高功率模块的散热需求，且与被散热器件的固定连接方式单一。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是，针对现有铝质水冷板的不足，提供一种铜铝复合水冷板及其加工制作方法、水冷散热方法，其具有铜的良好焊接性能和铝的高导热性和可加工性特点，能满足高功率模块的散热需求，具有很高的传热效率和散热效果。

本发明的技术方案是：一种铜铝复合水冷板，包括基板和连接在基板背面的盖板，所述基板上设置有冷却液流道，所述基板采用铜铝复合板结构，基板包括铜板和与铜板压合在一起的铝板，基板正面为用于安装模块器件的铜板，基板背面为铝板，冷却液流道设置在铝板部分；所述冷却液流道内部设有枣核状结构：冷却液流道内表面设置有若干枣核状突起，枣核状突起采用并排分布加串联排布相结合的方式排列在基板背面的冷却液流道内。

所述冷却液流道为水道。

所述基板背面设有定位凸台，盖板上设有与定位凸台相配合的凹槽，凹槽扣合于定位凸台上。

所述基板背面周边还设有盖板槽，所述基板与盖板为采用凹凸配合法定位焊接和搅拌摩擦焊接形成的一体式结构。

所述铜铝复合水冷板还包括固定在基板上的接头水嘴，冷却液流道两端均连接有接头水嘴。

所述接头水嘴固定在铜面左边的二个角部。

一种水冷散热方法，将铜板和铝板压合在一起制作成铜铝复合水冷板，其铜面直接与模块器件焊接为一体，从而减少接触热阻，提高系统可靠性；在铝面设置冷却液流道，在冷却液流道内设置枣核状结构：冷却液流道内表面设置若干枣核状突起，枣核状突起采用并排分布加串联排布相结合的方式排列，通过在冷却液流道内设置枣核状结构来增加流体扰动、减小流动阻力，从而提高散热效率。

采用上述铜铝复合水冷板进行水冷散热；通过在铝面进行凹凸设计及采用搅拌摩擦焊接工艺的方式，降低漏水隐患风险，且解决了铜-铜或铜-铝之间无法进行焊接的工艺难点。

上述铜铝复合水冷板的加工制作方法，包括如下步骤：

步骤一：制作基板：

A、准备好铜板和铝板，将铜板和铝板压合形成雏形基板；

B、制作好接头水嘴，将接头水嘴通过搅拌摩擦焊接的方式固定在雏形基板铜面；

C、对雏形基板铝面进行加工，先加工出冷却液流道，再在冷却液流道内加工生成枣核状结构，枣核状突起的排列采用并排分布加串联排布相结合的方式；在雏形基板背面加工出定位凸台和盖板槽，使冷却液流道和接头水嘴相连通，完成基板的制作；

步骤二：制作盖板：准备好盖板原材料，制作盖板，在盖板上加工出与基板上的定位凸台相配合的凹槽，使盖板外形轮廓与基板上的盖板槽配合，盖板上的凹槽与基板定位凸台配合定位；

步骤三：将盖板与基板通过凹槽和定位凸台定位装配好，采用搅拌摩擦焊接工艺将盖板和基板焊接在一起，形成铜铝复合水冷板；

步骤四：对铜铝复合水冷板表面进行精加工，完成铜铝复合水冷板的加工制作。

本发明具有铜的良好焊接性能和铝的高导热性和可加工性特点，结构紧凑，质量轻，能满足高功率模块的散热需求，具有很高的传热效率和散热效果，降低了维护成本和后期使用风险。流道布局方式采用枣核状结构并联加串联组合的排列方式，大大增加了冷却液的扰动效果，同时因枣核状突起特有的流线型结构，在增加换热面积的同时也会减少压损，该种流道结构能够大幅度提高大功率变流器功率模块用水冷板的散热效率，且流阻低，可靠性好。盖板通过搅拌摩擦焊接的方式连接在基板的背面，这样既能避开大面积焊接的漏水风险，又降低了铜与铜搅拌摩擦焊接或铜与铝搅拌摩擦焊接的焊接工艺难度。随着我国IGBT产业轻量化（这个也是本发明产品的一个亮点和优点，本发明产品厚度薄且轻，面积小，可散热功率大）、集成化发展的趋势，整个产品布局紧凑，满足今后集成模块轻量化的发展要求。本发明铜铝复合水冷板的应用将会越来越广泛。

附图说明

图1是本发明中的铜铝复合水冷板的主视结构示意图；

图2是本发明中的铜铝复合水冷板的左视结构示意图；

图3是本发明中的铜铝复合水冷板的俯视结构示意图；

图4是本发明中的基板的后视结构示意图；

图5是沿图4中A-A线的剖视结构示意图；

图6是沿图4中B-B线的剖视结构示意图；

图7是本发明中的盖板的主视结构示意图；

图8是沿图7中C-C线的剖视结构示意图；

图中：1、基板,2、盖板，3、接头水嘴；

11、铜板,12、铝板，121、水道，122、枣核状结构，123、定位凸台，124、盖板槽；

21、凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细阐述，以更为清楚地理解这种铜铝复合水冷板的新结构特征和运行方式。请参考图1至图8，本实施例的铜铝复合水冷板，包括基板1、盖板2和接头水嘴3。基板采用铜铝复合板结构，基板1包括铜板11和与铜板紧密压合在一起的铝板12，基板正面为铜结构，用于安装模块器件，基板背面为铝结构，铝结构部分设置冷却液流道，冷却液流道为内部设有枣核状结构的水道。，冷却液流道与接头水嘴相连通。铝板12上设有水道121、枣核状结构122、定位凸台123、盖板槽124；盖板2上设有凹槽21。定位凸台123与凹槽21相匹配且对应设置，盖板扣合在基板上，盖板的凹槽21扣合于基板的定位凸台123上，从而实现基板1与盖板2的固定。

采用上述铜铝复合水冷板的水冷散热方法可对高功率模块进行散热，通过将铜板和铝板压合在一起制作成铜铝复合水冷板，其铜面可以直接与IGBT焊接为一体，从而减少接触热阻，提高系统可靠性；在铝面设置冷却液流道，在冷却液流道内设置枣核状结构：冷却液流道内表面设置若干枣核状突起，枣核状突起采用并排分布加串联排布相结合的方式排列，通过在冷却液流道内设置枣核状结构来增加流体扰动、减小流动阻力，从而提高散热效率。通过搅拌摩擦焊接方式对盖板与基板进行焊接（接头水嘴与基板也采用搅拌摩擦焊接方式），降低了漏水隐患风险。

首先，在设计铜铝复合水冷板的基板1时，将接头水嘴3通过搅拌摩擦焊接的方式固定在铜面左边的二个角部位置，使接头水嘴与水道相连通且其密封性良好，再对铜铝复合板的铝面进行加工，在冷却液流道内表面加工出若干大致均匀密布的流线型枣核状突起，生成枣核状结构122、定位凸台123等结构，相邻枣核状突起之间保持的距离及枣核状突起的方向等根据实际需要确定，单个枣核状突起的排列方向（即枣核状突起的两个尖端连成的直线方向）可保持与水流方向一致，也可根据实际需要作多种排布。其次，枣核状结构中的枣核状突起排列采用并排分布加串联排布相结合的方式，增加流体扰动的同时，减小了水冷散热器的流动阻力，提高了散热效率。再次，盖板外形轮廓与基板上的盖板槽配合，凹槽与基板定位凸台依据凹凸部分相配合进行装配定位，基板和盖板采用搅拌摩擦焊接工艺进行焊接连接成一体式结构。最后，对铜铝复合水冷板表面进行精加工，基板的铜面部分可与IGBT模块焊接成一体结构。

上述铜铝复合水冷板的加工制作方法，具体包括如下步骤：

步骤一：准备好所需材料、工具、设备和零部件，并开始制作基板：

A、选取合适的铜板和铝板，将其形状加工成基板所需的形状，将铜板和铝板通过压制设备压合形成雏形基板；

B、制作好接头水嘴，将接头水嘴通过搅拌摩擦焊接的方式固定在雏形基板铜面同一边的两个角部附近；

C、预先设计好冷却液流道、定位凸台和盖板槽的形状以及冷却液流道、定位凸台和盖板槽在基板背面铝板上的位置；对雏形基板铝面进行加工，先加工出冷却液流道，再在冷却液流道内加工生成枣核状结构，枣核状突起的排列采用并排分布加串联排布相结合的方式；在雏形基板背面加工出定位凸台和盖板槽，使冷却液流道和接头水嘴相连通，完成基板的制作；

步骤二：制作盖板：准备好盖板原材料，制作盖板，在盖板上加工出与基板上的定位凸台相配合的凹槽，使盖板外形轮廓与基板上的盖板槽配合，盖板上的凹槽与基板定位凸台配合定位；

步骤三：将盖板与基板通过凹槽和定位凸台定位装配好，采用搅拌摩擦焊接工艺将盖板和基板焊接在一起，形成铜铝复合水冷板；

步骤四：对铜铝复合水冷板表面进行精加工；

步骤五：进行试验和其他扫尾工作，完成铜铝复合水冷板的加工制作。

通常散热器为全铝制或全铜制，全铝散热器效果不如全铜制散热器，全铜制散热器的散热效果虽好，但成本却高于全铝制散热器，不如铝制散热器经济，且铜质散热器的真空钎焊或搅拌摩擦焊接工艺很难实现，所以市面上用于IGBT冷却的水冷板很少有纯铜结构，几乎均为铝制材质。但是IGBT模块下方连接处通常是纯铜结构，普遍的纯铝水冷板与IGBT贴合时需涂导热硅脂加螺纹紧固。本发明提供的铜铝复合水冷板，其铜面可直接与IGBT焊接为一体，从而有效减少接触热阻，提高系统可靠性。采用上述在铝面进行凹凸设计及搅拌摩擦焊接工艺的方式，一方面解决了铜-铜或铜-铝之间搅拌摩擦焊接的工艺难点；另一方面降低了漏水隐患风险。同时能兼顾铜板良好的导热性、延展性以及能够解决IGBT模块的焊接成一体的问题，同时也具有铝板质量轻、良好的加工和焊接工艺性的特点（这个也是轻量化的一个亮点）。

在水冷板的设计过程中，其内部流道（即冷却液流道）散热翅片的设计是影响散热效果的关键因素，现有的翅片结构有直槽式、翅柱式和微通道等结构。但是现有的水冷板流道和翅片加工存在如下问题：1、直槽式结构，是在流道中直接铣削加工，当模块功率密度很大时，为了提高翅片效率，需要增加翅片个数减少翅片间隙，但是过小的翅片间隙实际CNC加工难以实现，且效率很低；2、翅柱式结构虽然避免了直槽式结构中来流不均匀的缺点，强化了换热，但是其流动阻力相比前者要大很多；3、利用成型的散热翅片微通道结构，能够增强流体的扰动性能，同时也增加了流动过程中的局部分离损失和漩涡损失。强化换热与流动阻力这一矛盾关系给水冷散热器的优化设计带来很多困难。而且受到成型翅片加工工艺限制，翅片的厚度难以增加而间距难以减少，这都不利于提高水冷板换热效率。

相比之下，本发明采用铜铝复合板材料取代传统的铝质材料，进行水冷板的设计和加工，铜铝复合板作为一种新型的复合材料，广泛应用于电子、电器、汽车、能源等领域。本发明流道布局方式采用枣核状结构并联加串联组合的排列方式，大大增加了冷却液的扰动效果，同时因枣核状突起特有的流线型结构，在增加换热面积的同时也会减少压损，该种流道结构能够大幅度提高大功率变流器功率模块用水冷板的散热效率，且流阻低，可靠性好。盖板通过搅拌摩擦焊接的方式连接在基板的背面，这样既能避开大面积焊接的漏水风险，又降低了铜与铜搅拌摩擦焊接或铜与铝搅拌摩擦焊接的焊接工艺难度。本发明的新型铜铝复合水冷板结构，其最大特点是从根本上解决了水冷板与IGBT模块的紧固问题，同时又充分利用了铜的良好导热性和铝的焊接加工性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。