達鉅 創伴電子報 Vol.007 - 水冷板焊接怎麼選？從結構強度到量產可靠度一次看懂

 

精準焊接：摩擦攪拌焊 與 真空釺焊的選擇

一、前言：焊接工藝對液冷效能與可靠度的影響

本期將進一步分析「焊接工藝」如何決定產品的最終品質。在液冷系統中，水冷板的氣密與液密性是系統長期穩定運作的核心指標，而焊接品質直接影響熱傳導效率與產品壽命。

常見的液冷板焊接方式包含：

●      摩擦攪拌焊 (Friction Stir Welding, FSW)

●      真空釺焊 (Vacuum Brazing)

●      氬焊 (TIG/MIG)

●      擴散焊 (Diffusion Bonding)

●      雷射焊接 (Laser Welding)

本篇將聚焦於目前高效能伺服器水冷板中最主流的兩種方案：摩擦攪拌焊 (FSW) 與 真空釺焊 (Vacuum Brazing)，探討兩者在結構強度、設計自由度及量產可靠度上的差異。

二、工藝技術說明

1. 摩擦攪拌焊 (Friction Stir Welding, FSW)

FSW 是一種固態焊接技術，利用高速旋轉的攪拌針與金屬摩擦產生熱量，使材料達到塑性狀態後進行擠壓與結合。

●      無熔融狀態： 避免了傳統熔焊產生的氣孔與裂紋風險。

●      結構強度高： 焊縫組織細密，機械性能優異。

●      低熱變形： 對工件的熱影響區小，尺寸穩定性佳。

●      環保優勢： 無需添加填充金屬，製程節能環保。

 

 

2. 真空釺焊 (Vacuum Brazing)

真空釺焊是在真空環境下加熱，利用熔點較低的釺料熔化後，透過毛細現象填充於基材間隙完成結合。

●      設計自由度較高： 可處理複雜的內部微流道與 3D 結構。

●      整批處裡： 可在真空爐內同時焊接多個工件，具備大規模生產效益。

●      接頭美觀： 全域加熱，工件外觀平整且無需後加工。

●      焊接應力小： 均勻加熱避免了局部的熱應力導致變形。

三、工藝特性比較

項目	摩擦攪拌焊 (FSW)	真空釺焊 (Vacuum Brazing)
設計自由度	較低（受限於攪拌頭路徑與退出孔）	極高（可處理複雜內部結構）
密封可靠度	高（固態結合，抗壓力強）	高（需嚴格控管釺料濕潤性）
加工成本	單件成本較低（適合大量生產）	高（真空爐開機費用與釺料耗損）
組裝效率	高（自動化路徑加工快）	中（需配合升降溫週期）
熱變形控制	中（局部摩擦生熱與機械力擠壓）	優（均勻加熱）
適用流道類型	簡易路徑、U型流道	微型鏟齒鰭片、複雜蜂巢結構

四、工藝與流道設計的搭配

焊接方式決定了流道設計的上限，而流道設計則決定了最終的熱傳效率。

1. 摩擦攪拌焊 (FSW)

●      適合厚板結構或需要高結構強度的底座。

●      流道通常為 CNC 直接加工出的開放式溝槽，焊接蓋板完成密封。

●      應用： 標準型伺服器水冷板

 

 

2. 真空釺焊 (Vacuum Brazing)

●      適合內置高密度微鰭片（Micro-fins）的高效能冷板。

●      可用於多層結構嵌入，將不同功能的散熱件一次焊接成型。

●      應用： AI 高算力晶片、高熱流密度 (High Heat Flux) 之 HPC 應用。

五、接觸面與可靠度關係

焊接製程與產品可靠度存在明確關聯：

●      焊接品質： 內部產生殘餘應力，長期運作下容易產生疲勞裂紋或洩漏。

●      焊接滲透率足夠： 接頭強度穩定，能承受高壓水泵測試。

●      真空釺焊之潔淨度： 決定釺料潤濕性，直接影響氣密性表現。

六、應用建議

採用 摩擦攪拌焊 (FSW)：

●      產品設計相對單純，且重視生產週期與成本優化。

●      對結構強度有極高要求，需通過嚴苛環境下的振動或震動測試。

●      流道寬度較大，不需複雜的內部微型結構。

採用 真空釺焊 (Vacuum Brazing)：

●      晶片 TDP 高（ 1000W以上），需極大化熱交換面積（微流道設計）。

●      需在薄型化條件下達成最高換熱功率。

●      需要將多個複雜零件一次性整合組裝，追求極致性能。

七、結論

FSW 與真空釺焊並非絕對的優劣之分，而是針對不同散熱設計目標（Thermal Target）的工藝選擇。我們本質上是在散熱效能、結構可靠度與量產成本三者之間取得平衡。透過精準的工藝選用，能確保液冷方案在提升效能的同時，守住系統長期穩定運作的底線。