高效紧凑型微通道换热器设计与关键制造工艺技术研究

1. 引言

微通道换热器作为一种新型高效换热设备，因其紧凑的结构和高效的传热性能，在能源、化工、制冷等领域受到广泛关注。其核心部件——微通道板片，通过微加工技术制造，具有微小尺寸的流道，能够显著提高换热效率。本文旨在通过系统研究微通道换热器的设计与制造工艺，解决其在实际应用中的关键技术问题，为该设备的工业化应用提供理论和技术支持。

本研究为与杭州沈氏节能科技共同承担开展的活动。

2. 微通道换热器的结构设计

2.1 设计原则

PCHE 高效换热器样机（WC-2601 换热器）利用海水冷却天然气，工艺要求其换热负荷大于80kW，设计压力 13MPaG，设计温度100℃，操作工艺数据如表所示，天然气设计处理量为30 万方/天，换热器主体材质为钛合金耐腐蚀材料，芯体由板材扩散连接，使用寿命20 年。

换热器是一种在不同温度下使两种或两种以上流体之间实现物料之间热量传递的节能的设备，使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的设备。

2.2 换热及温差计算

（1）物性查询

表2.2 两侧不同状态点物性

3.关键工艺制造技术

3.1 蚀刻技术

蚀刻散热板是PCHE 换热器芯体的重要组成部分，它的主要功能是通过微加工技术在基材上加工出微通道（几十微米到几百微米），极大的增大换热面积，使流体形成紊流，提高换热能力。传统蚀刻金属原材一般采用铜材（Cu）或铁镍合金（42#Fe-Ni），考虑到电气、散热与焊接以及成本等方面的因素，铜材使用较为普遍。随着印刷电路板的集成程度增加，蚀刻微加工技术趋向于高精细和高密度化，同时具体在特殊恶劣环境中应用，这就要求使用的原材必须具有优异的抗蚀刻性。

但由于在钛蚀刻过程中影响产品尺寸精度和蚀刻效率的主要因素有蚀刻液的成份、浓度和温度，以及工件在蚀刻机中传输的速度。多因素的相互作用及其动态变化，使得PCHE 换热片产品的品质和蚀刻效率难以调控。需要通过大量的工艺试验和生产实践，才得以实现对蚀刻液成份、浓度、温度和工件传输速度的多参数动态综合控制。由于这些参数是动态变化的，其设定与调整与产品材质和厚薄、产品大小和形式、感光胶膜材质和厚薄有关，与一次配置的蚀刻液蚀刻的产品总量有关，对蚀刻质量、效率和侧蚀量有直接影响。相关蚀刻工艺技术亟需国内蚀刻工业企业创新开发。

除此之外，传统钛蚀刻技术仍然无法有效解决蚀刻金属过程中最常见的侧蚀质量问题，侧蚀质量往往达不到 0.01mm 以下，尤其大厚度的蚀刻片，侧面呈梯形，蚀刻加工公差达不到±0.01mm，PCHE 换热器中换热片的整体质量无法达到国际先进水平。而国内蚀刻工业企业中，钛合金蚀刻换热片明显是个短板，基本被国外企业垄断。钛蚀刻工艺技术的开发带来了设备及生产技术的高提升要求，这将导致国内企业的较高投入要求及研发能力的提升，对行业内企业会有重新定位的需要。

蚀刻金属的确定——蚀刻金属的预处理——涂覆光刻胶——曝光——显影——蚀刻——去除光刻胶—蚀刻金属的后处理— —蚀刻液的再生— —工件检验— —清理——全检、包装、出库。由于 Ti 的钝化膜（Ti 的氧化物）具有非常好的愈合性，对包括硫酸、盐酸和硝酸在内的很多无机酸和有机酸都有良好的耐蚀性，能很快地溶解在HF 酸溶液中，所以Ti 的蚀刻液成分中都是以HF 溶液为主体，配以HNO3 溶液或者H2SO4 溶液，对Ti 进行蚀刻。通过蚀刻液中的其他成分对Ti 进行氧化，HF 酸把Ti 和Ti的氧化物（钝化膜）不断溶解在溶液中，从而达到蚀刻的目的。

由于传统的湿法蚀刻技术存在一定的缺点，已经不能满足高密度的PCHE 换热器芯片组产品的制造要求。般来说，对于 3μm 以上的线宽，湿法蚀刻仍然可以满足工业的要求，如低成本、高可靠性、高产能、优越的蚀刻选择比等，因此 Ti 的湿法蚀刻在很大的范围里还有其使用空间，在印制电路板制造中还有着广泛的应用。对于仍然需要使用湿法蚀刻来对Ti 进行蚀刻加工的工艺，需要对以HF-HNO3 混合溶液为主要成分的传统蚀刻液在蚀刻速度、成本以及材料处理的难易程度等因素上进行改进。

3.2、钛蚀刻工艺用于不同衬底的技术研究

①含有 0.05%～30%氢氟酸、0.05%～30%高碘酸、0.05%～20%硫酸的蚀刻液，可同时蚀刻 Ti 与铝两种金属化层，且两者的蚀刻速度相同，使用温度为室温，可保证蚀刻液中氢氟酸不挥发，蚀刻速度可达到1.3μm/min；②含有不超过0.25mol/L 的氢氟酸和双氧水作为蚀刻液的主要成分，针对Ti 与Al 两种金属化层的蚀刻，只能单独蚀刻Ti 金属化层，蚀刻速度可以达到1.4μm/min，一般只用于生产半导体类电子产品，可保证在10cm2范围内有良好的蚀刻均匀性；

③含有氟化铵、盐酸作为蚀刻液的主要成分，NH4F/HCl（浓度比值）小于1 的时候Ti 被腐蚀，比值大于1 的时候同时被腐蚀。两者方案蚀刻速度相同，且该蚀刻液在常温下使用，当NH4F/HCl 的浓度比值从0.01到10 不断增大，蚀刻速度从0.1～1μm/min 时，因为蚀刻液的成分可以调节，所以对SiO2 的衬底能够起到很好的保护作用；

④含有 10%～40%双氧水、0.05%～5%磷酸、0.001%～0.1%膦酸系化合物以及氨水作为蚀刻液的主要成分，PH 值在 7～9 的弱碱性蚀刻液，可在30～60℃范围内使用，对于铜、锡、金等金属上淀积的Ti 金属化层有良好的选择性，不会影响到Ti 金属化层下的其他金属层。因为蚀刻液的工作温度高，该蚀刻液的蚀刻速度可以达到 2μm/min；

⑤含有双氧水 160～180g/L、硝酸钾 150～210g/L、乙二胺四乙酸钾 0.08～0.12g/L 作为蚀刻液的主要成分。利用氢氟酸把蚀刻液的PH 值控制在3.4～3.9，用来对金属化层中的Ti 进行蚀刻，该蚀刻液使用室温，喷射蚀刻状态下在30mm*10mm 的范围内均匀性好，线条误差只有0.01μm，主要被用于芯片的制造和封装中。综上所述，为有效提高钛蚀刻效率，且在常温下方便蚀刻，采用方案⑤蚀刻溶液更有利于蚀刻的进行，喷射蚀刻状态下均匀性号，蚀刻精度高，更适用于PCHE 换热器换热芯片。

3.3 钛合金蚀刻产品两步蚀刻工艺技术的研究

传统的蚀刻基本工艺都是用光刻胶遮盖需要保护的部分，通过蚀刻液对未保护的部分进行蚀刻，去除不需要的部分。但由于钛蚀刻液中含有氢氟酸的成分，而对于很多有机光刻胶来说，氢氟酸都能与其产生微弱的反应，影响其蚀刻效果。

因此，本项目专门应用双层掩膜蚀刻工艺技术，专门将涂覆感光材料并进行曝光处理的预钛金属蚀刻片，进行两步蚀刻。其特征在于， 预钛金属蚀刻片先在蚀刻速度较慢和反应过程放热较少的蚀刻液中进行蚀刻，而后在蚀刻速度较快和反应过程放热较大的蚀刻液中进行蚀刻。

通过专门对比研究预钛金属蚀刻片先在蚀刻速度较慢和反应过程放热较少的蚀刻液中进行蚀刻多少量，以及在蚀刻速度较快和反应过程放热较大的蚀刻液中进行蚀刻多少量，可有效解决蚀刻金属通常最常见的测蚀质量问题，侧蚀质量往往达不到0.01mm 以下，尤其大厚度的蚀刻片，侧面呈梯形，也可减少蚀刻过程中蚀刻液的蒸发损失等技术缺陷，蚀刻均匀性良好，最快蚀刻速度可达4μm/min。

通过将超声震荡器和空气增压器两者应用在TA10 钛蚀刻过程中，可有效解决常规的蚀刻方法造成的金属沉积，避免在腐蚀过程中化学产物沉积在金属表面。其中，超声震荡器主要由震板及超声发生器组成的投入式超声震板装置，超声波频率可达30-50 兆赫兹以上，将超声震板装置设置于蚀刻槽底部。空气增压器，适用介质为洁净空气，可输入到蚀刻液中的压力为3-8bar。

图4.4 钛蚀刻多参数动态综合控制逻辑图

当 TA10 钛合金蚀刻开始时，化学产物沉积在金属表面后，影响沉积金属表面继续进行化学反应，结果造成需要腐蚀的表面凹凸不平，尤其对于半蚀刻表面，造成蚀刻表面质量较差。通过震荡蚀刻工艺技术的应用，可有效解决化学蚀刻反应过程中气体产物的排出速度慢等问题，直接影响化学蚀刻反应速度技术难题，显著提高钛合金蚀刻产品的质量。

3.5、钛合金蚀刻高精度双面对位曝光技术的研究

公司采用自主研发设计的高精度双面对位曝光技术，在对钛蚀刻换热片进行光化学蚀刻过程中，通过该项技术将母片复制成成对固连使用的曝光片，其对位精度由原来的0.02mm 提高到目前的 0.003mm 。

图4.2 高精度双面对位曝光技术

3.6、钛合金换热片“十二仓”蚀刻工艺技术的研究

开发的“十二仓”蚀刻工艺技术，可根据材料蚀刻因子确定蚀刻点，再通过调控蚀刻点在蚀刻机中位置，有效保证钛合金蚀刻换热片高精密热通道蚀刻的一致性、稳定性和均匀性。除此之外，还专门配备有八仓烘道装置设计，可以实现多个烘箱的整体通风，大大提高钛合金蚀刻片的烘干速度，提高蚀刻生产效率。

3.7、钛蚀刻多参数动态综合控制技术的研究

在蚀刻过程中影响工件尺寸精度和蚀刻效率的主要因素有蚀刻液的成份、浓度和温度，以及工件在蚀刻机中的传输速度。多因素的相互作用及其动态变化，使得工件品质和蚀刻效率难以调控。通过大量的工艺试验和生产实践，总结形成了蚀刻液成份、浓度、温度和工件传输速度的多参数动态综合控制技术。

①蚀刻液氧化剂设计

由于钛合金在蚀刻过程中氧化剂被还原成还原剂而失去氧化能力，因此，公司专门利用热力学计算，确定一种新型氧化剂，在氢氟酸和硝酸蚀刻液中添加强氧化剂可将蚀刻液中的还原剂还原氧化剂，可以氧化钛及钛合金中的合金元素，且氧化过程释放的热量较少，使钛合金蚀刻液保持高效的蚀刻能力。

②蚀刻液浓度设计

为保证后续的钛合金蚀刻产业化生产，针对蚀刻液浓度进行设计研究，以提高蚀刻速度，用小试样测定蚀刻速度和蚀刻液浓度的关系曲线，由曲线来确定蚀刻液浓度使用范围。

③蚀刻液蚀刻温度设计

一般化学蚀刻反应基本都是放热反应，蚀刻时间越长，蚀刻液蚀刻温度越高，对蚀刻产品质量影响越大。目前，国内还没有可成熟控制蚀刻液蚀刻温度的工艺技术。为此，公司针对钛合金蚀刻液进行控温技术开发，在蚀刻机的底部和两侧设计多个冷却管，冷却管中的冷却水采用自动控制技术，从而可保障蚀刻产品质量。

为保证后续的钛合金蚀刻产业化生产，针对蚀刻液蚀刻的温度进行设计研究，以确保蚀刻速度和蚀刻质量。由于蚀刻液蚀刻温度越高，钛合金蚀刻速度越慢，蚀刻产品的侧蚀越严重，导致蚀刻产品质量越差。为此，用小试样测定蚀刻液蚀刻温度和蚀刻速度的关系曲线，由曲线来确定蚀刻液温度允许范围。

通过工艺参数控制、缺陷识别、废料再循环等相关蚀刻工艺技术进行改进，实现国内蚀刻工艺技术的突破，在高精密钛蚀刻生产线上试验分析，建立了专业的钛蚀刻产品蚀刻工艺数据库，保证大尺寸钛合金蚀刻片版面精度误差≤0.02mm，曝光线条误差 0.01μm ，蚀刻速度可达1.1～1.4μm/min，有效提升产品的批量生产时的质量稳定性。

3.2 扩散焊技术

3.2.1 材料选择

扩散焊是一种固态连接过程，在这里成堆的板或片受到热量和压力的变化，以创造一个表面焊接材料。Heatric 在 30 多年前首先发展了扩散焊接PCHE，并从那时起扩散焊不断发展。通过对该技术的突破，Heatric公司已经能够开发出一些不锈钢和相关材料的结合工艺，包括（但不限于）：

·双相 2205（S31803）-双相不锈钢·双认证 316L（S31603）-奥氏体不锈钢·双认证 304L（S30403）-奥氏体不锈钢·钛 2 级（R50400）·6% 钼（N08367）Al-6XN 超奥氏体不锈钢·617 合金（N06617）铁镍铬合金

这些材料中的每一种都有其独特的优点，这使得它们能够根据客户的需求适用于各种不同的应用。双认证的SS316/316L 是最广泛应用于制造热交换器的合金。其优异的机械性能和耐腐蚀性能使其成为水、二氧化碳、液体钠和氦等多种传热介质的良好选择。

高温热交换器的设计受到合金的物理性能特别是导热性和热膨胀性的影响。在启动和关闭等瞬态条件下，热交换器内部的温度变化会产生热应力，最终可能引发疲劳裂纹。这些热应力和传播通常与合金的热膨胀系数成正比。合适的热交换材料应具有高导热性和低热膨胀率。

3.2.2 扩散连接工艺试验

TA10 合金具有较好的加性能和焊接性能。该合金可以在850～950℃范围下进行热轧或热锻。在尽可能低的温度下进行热加工，可使表面污染减至最小，为了防止吸氢，加热必须在微氧化条件下进行。TA10 合金有与Ti-65A 类似的可塑性和弯曲性能，板材成型操作可在室温下进行，但在250℃左右温成形可以减小回弹。

采用100*100 尺寸，多层叠加方式制造扩散焊接试验试样，TA10 钛合金板片通过激光切割、表面打磨、焊前表面处理、除油清洗、叠片固定制造试样，通过多组不同焊接温度进行工艺优化，得出最优一组扩散焊接参数。

图4.14 扩散焊试样叠片示意图 图 4.15 PCHE 扩散焊示意

图 4.16 TA10 钛合金扩散焊工艺

3.2.3 扩散连接质量保证

决定扩散连接接头质量的主要因素有两个：界面空洞的闭合和随后界面晶界的迁移。在扩散连接过程中，空洞闭合过程已经得到广泛的研究。Someka 等指出 促进 AZ31 合金接头内界面空洞的闭合。Noh 等应用扩散连接技术连接了弥散的高铬氧化物 其研究结果表明界面空洞会随着连接温度的提高而逐渐地闭合。此外，界面晶 接界面，从而获得具有与基体材料组织和性能无差别的冶金接头。Huang 等把界面 界 移 程中获得高质量的接头的最重要的步骤。

空洞闭合是获得高质量接头的前提条件。空洞演化过程主要归因于若干消除空洞的演化机制的共同作用：（1）变形机制，包括塑性变形和蠕变；（2）扩散机制，包括表面扩散，界面扩散和体扩散。不管采用何种常规表面处理方式处理待连接表面，实际的微观表面呈现出粗糙不平的。在使两个待连接表面相互贴合后，两表面只有少量的长的表面凸起接触，从而形成一排具有不规则形状的空洞，如图4.36（a）所示。随着在连接试样上施加一定的压力，连接界面上的接触应力超过材料本身的屈服强度。在这种情况下，相互接触的两表面凸起开始发生局部的塑性流动，使连接面积迅速的增加，直到界面上的接触应力小于材料的屈服强度这种塑性流动停止。这个过程发生的速度很快，可以看作瞬时过程。随着连接的进行，由于材料发生变形的原因，原来两表面上的短波长凸起接触，使得界面空洞的数量增加并且尺寸减小。当全部的短波长凸起接触，空洞数量达到最大值，如图4.36（b） 所示。进一步延长连接时间，扩散机制和蠕变机制继续作用于空洞演化，导致空洞尺寸的减小和数量的减少，如图 4.36（c）所示。由于空洞的逐渐消失，空洞对界面晶界的钉扎力减小，界面晶界开始迁移，但是还是会有少量的空洞会残留在晶粒内，如图 4.36（d）所示。