Procédé de fabrication de plaques froides liquides extrudées

Les plaques froides à liquide extrudé sont des composants de gestion thermique intégrés, fabriqués par extrusion d'alliage d'aluminium. Ces plaques utilisent des fluides de refroidissement liquides — tels que l'eau, des mélanges eau-glycol ou des fluides fluorés — pour un échange thermique efficace.

La principale caractéristique de cette technologie de refroidissement liquide par plaque froide réside dans la formation de canaux d'écoulement internes fermés ou à cavités multiples au sein d'un seul profilé en aluminium extrudé. Cette structure offre une faible résistance à l'écoulement, une haute tolérance à la pression, une conception compacte et un coût maîtrisé, ce qui explique son utilisation répandue dans l'électronique haute densité de puissance, les batteries, le refroidissement liquide des serveurs et l'électronique de puissance.

Il est essentiel de comprendre le fonctionnement des plaques froides à liquide : la chaleur est conduite de la source chaude vers le corps de la plaque froide, transférée aux canaux internes de circulation du liquide, puis évacuée par convection forcée. Comparées aux plaques froides tubulaires ou brasées, les plaques extrudées offrent une meilleure intégrité structurelle et un risque de fuite réduit.

caractéristiques techniques fondamentales

• one-piece extruded flow channels
  seamless internal channels formed during extrusion eliminate weld seams and reduce leakage risk compared to brazed or tubed structures.

• high thermal conductivity materials
  typically manufactured from 6061 or 6063 aluminum alloys with thermal conductivity ≥ 180 w/m·k. while copper cold plates offer higher conductivity, aluminum provides a superior balance of weight, cost, and corrosion resistance.

• customizable conception de canal d'écoulements
  supports parallel channels, serpentine channels, and multi-cavity configurations, enabling flexible liquid cold plate design.

• high pressure capability
  typical operating pressure: 0.5–1.5 mpa
  Pression d'éclatement : ≥ 3,0 MPa

• lightweight structure
  20–40% lighter than cnc-machined or plate liquid cooling solutions.

• excellent surface treatment compatibility
  suitable for anodizing, electroless nickel plating, and functional coatings.

scénarios d'application typiques

• systèmes de refroidissement par eau des batteries de véhicules électriques

• plaques froides pour processeurs/cartes graphiques de serveurs électroniques

• systèmes de refroidissement laser haute puissance

• Refroidissement par plaque froide des IGBT et des modules de puissance

• gestion thermique des systèmes de stockage d'énergie

procédé de fabrication de plaques froides liquides extrudées

1. Étape de préparation des matières premières

Sélection des billettes d'aluminium → analyse de la composition chimique (spectromètre) → essais des propriétés mécaniques (dureté, résistance à la traction) → prétraitement (découpe, usinage des faces) → stockage des matériaux

• nuances d'alliage : 6061-t5 / t6, 6063-t5

• diamètre de la billette : φ100–φ300 mm

• précision du prétraitement :

• Tolérance de longueur : ±1 mm

• perpendicularité de la face d'extrémité : ≤ 0,1 mm

2. Étape de conception et de fabrication de la matrice

Conception des canaux d'écoulement (optimisation par simulation thermique CFD) → Conception de la filière d'extrusion (orifices, chambre de soudage, logement du palier) → Sélection de l'acier de la filière (acier à outils pour travail à chaud H13) → Ébauche CNC → Traitement thermique (trempe + triple revenu) → Usinage de précision (électroérosion, découpe au fil) → Polissage (rugosité du logement du palier Ra ≤ 0,4 μm) → Validation par extrusion d'essai

Cette étape détermine directement la géométrie interne et les performances des plaques froides liquides extrudées, les distinguant des structures de plaques froides liquides brasées qui reposent sur un collage après assemblage.

3. Étape de formage par extrusion

Préchauffage de la billette d'aluminium (480–520 °C) → Préchauffage de la filière (450–480 °C) → Réglage des paramètres d'extrusion → Extrusion du profilé (vitesse 1–5 m/min) → Trempe en ligne (refroidissement à l'air ou par brouillard) → Étirage et redressage → Découpe à longueur fixe → Traitement de vieillissement (état T5/T6)

Le procédé d'extrusion permet de créer des canaux d'écoulement internes réguliers qui assurent un refroidissement liquide stable des plaques.

4. Étape d'usinage de précision CNC

Usinage de la surface de référence (établissement du système de coordonnées) → Usinage de la face d'extrémité (ouverture du canal d'écoulement) → Usinage des interfaces (orifices d'entrée/sortie, trous de fixation) → Usinage de la surface d'étanchéité (planéité ≤ 0,05 mm) → Ébavurage → Contrôle de propreté

exigences d'usinage

• rainures d'étanchéité en face d'extrémité :

• Tolérance de largeur ±0,02 mm

• tolérance de profondeur ±0,01 mm

• trous taraudés :

• précision 7h

• perpendicularité ≤ 0,05 mm

• Planéité de la surface de montage : ≤ 0,1 mm / 100 mm

• propreté:

• particules ≤ 100 pcs/m²

• résidu d'huile ≤ 10 mg/m²

5. Préparation à l'usinage et au soudage des embouts

Sélection du matériau du bouchon (alliage identique ou compatible) → finition CNC → finition de la surface d'étanchéité (Ra ≤ 1,6 μm) → usinage de la rainure de soudage → nettoyage (nettoyage par ultrasons) → positionnement pour l'assemblage (outillages dédiés)

paramètres de conception de l'embout

• épaisseur : 3 à 10 mm (en fonction des exigences de pression)

• méthodes de scellage :

• joint torique à gorge d'étanchéité

• étanchéité plate

• étanchéité par soudure complète

• options de soudage :

• soudage par friction-malaxage (FSW)

• soudage laser

• soudage TIG

6. Étape de soudage et d'étanchéité

Sélection du procédé de soudage → assemblage du dispositif de fixation → paramétrage du soudage → exécution automatisée du soudage → traitement thermique post-soudage (détente des contraintes) → contrôle de l'aspect de la soudure

comparaison des procédés de soudage

• soudage par friction-malaxage (FSW):
  no filler material, high joint strength, ideal for long straight seams

• soudage laser:
  small heat-affected zone, high precision, suitable for complex seams

• soudage TIG:
  cost-effective, flexible, suitable for small-batch custom liquid cold plate production

7. Essais de pression et d'étanchéité

• test de fuite d'hélium

• essai de pression hydrostatique (1,5× pression de service)

• essai de pression d'éclatement (≥ 3× pression de service)

• Essais de cycles de pression (100 000 cycles)

normes d'essai

• taux de fuite : ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s (hélium)

• Maintien de la pression : 1,5 MPa × 5 min, chute de pression ≤ 0,01 MPa

• Pression d'éclatement : ≥ 3,0 MPa

• Cycles de pression : 0,2–1,0 MPa, 100 000 cycles sans fuite

8. Étape de traitement de surface (facultative)

prétraitement (dégraissage, décapage) → anodisation (naturelle / noire) → scellement → revêtements fonctionnels → cuisson et durcissement

options de traitement de surface

• anodisation :

• épaisseur 10–15 μm

• rigidité diélectrique ≥ 500 V

• Nickelage chimique :

• épaisseur 10–20 μm

• résistance à la corrosion améliorée

• ptfe coating:
  improved chemical resistance

• insulating coatings:
  for electrical isolation requirements

9. Processus de nettoyage et de séchage

Rinçage à l'eau déminéralisée haute pression → nettoyage par ultrasons (détergent neutre) → rinçage à contre-courant en trois étapes → séchage à l'air chaud (80–100 °C) → séchage sous vide (applications haute fiabilité) → remplissage à l'azote pour la prévention de l'oxydation

normes de propreté

• Taille des particules : ≤ 50 μm

• résidu non volatil : ≤ 10 mg/m²

• Teneur en ions chlorure : ≤ 1 ppm

• conductivité : ≤ 5 μs/cm

10. Assemblage des accessoires

Installation du joint (silicone / FKM / EPDM) → assemblage des raccords rapides → installation du capteur de température (en option) → installation du capteur de pression (en option) → étiquetage (informations produit et sens d'écoulement)

exigences en matière d'accessoires

• Matériaux d'étanchéité : EPDM, FKM, silicone (−40 °C à 150 °C)

• Normes de connecteurs : DIN, SAE, JIS, BSPP

• précision du capteur :

• température ±0,5°C

• pression ±1% fs

11. Tests de performance du produit fini

Test de résistance thermique (méthode standard de source de chaleur) → test de résistance à l'écoulement (courbe débit/chute de pression) → test d'uniformité d'écoulement (conceptions multicanaux) → test de durabilité (cyclage thermique et de pression) → réinspection finale des fuites d'hélium (inspection à 100 %)

indicateurs de performance

• résistance thermique : 0,01–0,05 °C/W (dépendant de la conception et du débit)

• résistance à l'écoulement : ≤ 50 kPa à 10 l/min (typique)

• Écart d'uniformité du débit : ≤ 10 %

• Plage de températures de fonctionnement : −40 °C à 120 °C

12. Inspection finale et emballage

Inspection visuelle → échantillonnage dimensionnel (mm²) → préparation de la documentation → emballage anticorrosion (EC) → emballage antichoc → étiquetage du carton extérieur

spécifications d'emballage

• Protection individuelle : sac PE + papier VCI

• Orientation de l'emballage : placement vertical

• Contenu de l'étiquette : identifiant du produit, date de production, sens d'écoulement, mention « fragile »

• Conditions de stockage : −10 °C à 40 °C, ≤ 70 % HR

13. documentation et traçabilité

Certificat de conformité → Certificats de matériaux → Rapports d'essais de performance → Enregistrements de processus → Étiquettes de traçabilité (code QR / code-barres) → Manuel d'installation et d'utilisation

points de contrôle critiques pour la qualité (ctq)

capacité de processus et capacité de production

• largeur d'extrusion : 30–300 mm

• hauteur : 10–100 mm

• longueur : 500–6000 mm

• épaisseur minimale de paroi :

• Épaisseur de paroi du canal : 1,0 mm

• paroi extérieure : 1,5 mm

• rugosité de surface :

• surface extrudée : ra ≤ 3,2 μm

• surface usinée : ra ≤ 1,6 μm

lignes directrices de conception et meilleures pratiques

conception de canal d'écoulement

• diamètre hydraulique : 4–8 mm

• Rapport d'aspect : ≤ 10:1

• Rayon de courbure : ≥ 1,5 × largeur du profilé

• Conception d'entrée/sortie en forme de cloche

• Ailettes internes optionnelles pour un transfert de chaleur amélioré

conception structurelle

• épaisseur de paroi uniforme

• nervures de renfort aux endroits critiques

• disposition de montage sans stress

• Tolérance de dilatation thermique

stratégie de sélection des matériaux

• Applications générales : 6063-t5

• Applications hautes performances : 6061-t6

• environnements difficiles : revêtements supplémentaires

optimisation des coûts

• sections transversales normalisées

• meilleure utilisation des matériaux

• usinage secondaire réduit

• économies d'échelle dans la production de masse

Grâce à leur structure monobloc extrudée, leur faible risque de fuite, leur grande fiabilité et leur excellent rapport coût-efficacité, les plaques froides liquides extrudées jouent un rôle irremplaçable dans les applications de refroidissement par plaques froides à haute densité de puissance. Avec la croissance continue de secteurs tels que les véhicules électriques, les centres de données, les communications 5G et les énergies renouvelables, les plaques froides et les solutions de refroidissement liquide sur mesure évolueront vers des performances accrues, un poids réduit et une gestion thermique optimisée, offrant ainsi des solutions robustes et évolutives pour les systèmes de refroidissement liquide de nouvelle génération.