燒結式微熱管的工質灌注、抽真空與封接

真空封接 李西兵 齊重數控裝備股份有限公司

  目前微電子與光電子芯片對散熱要求日益增高, 燒結式微熱管已經成為其理想的散熱元件, 對微熱管進行快速抽真空, 使微熱管中的工質量與真空度符合要求, 是決定其制造質量與成本的重要因素。通過對微熱管的工作原理及其抽真空-工質灌注- 冷焊的制造方法進行分析, 提出一種分別采用工質凍結- 抽真空-冷焊法與二次除氣-冷焊法對燒結式微熱管進行抽真空的方法。大量的實驗表明, 采用所提出的制造方法不僅可以保證微熱管中工質量與真空度達到要求, 而且抽真空的時間大約比原有方法節省了2/3, 具有很好的傳熱性能。

  近二十年來, 微電子與光電子技術的快速發展,導致微電子芯片的集成度急劇增加, 從而單位容積上的芯片功耗急劇增加, 產生散熱空間狹小及高熱流密度等致命問題。如高性能微處理器的熱流密度達到100 W/ cm2; 大功率照明LED 芯片熱流密度達到200 W/ cm2; 半導體激光器熱流密度達到500~1000 W/ cm2。可見, 要解決狹小空間高熱流密度芯片的熱控制問題, 必須采用更高效散熱方式來取代常規散熱技術。相比較而言, 采用相變傳熱的微熱管具有熱導率高、體積小、重量輕、良好的等溫性、無需額外電力驅動, 傳熱效率是銅棒的幾百倍甚至上千倍等優點, 因此, 微熱管是高熱流密度電子芯片導熱的理想元件。

  微熱管的傳熱性能雖然主要取決于管內壁的吸液芯結構, 但微熱管中的工質量與真空度是否符合要求對其傳熱性能的影響是非常大的。國內外的研究主要集中在吸液芯的制造上, 如華南理工大學開發了溝槽式與燒結式微熱管 ; Khrustalev, Faghri開發了倒彎月面型蒸發器扁平微熱管;Kang 等開發出具有三層結構、允許液體和蒸汽流動隔開的徑向溝槽式微熱管; Man Lee 等研究了集成微熱管系統的設計和制造。當前抽真空及其測試的方法很多, 但對于熱管中工質量與真空度的要求, 目前常采用的方法為抽真空- 工質灌注- 冷焊法或沸騰排氣法 。由于燒結式吸液芯具有很大的傳熱能力, 水具有很大的潛熱, 主要應用在微電子與光電子散熱方面的微熱管外徑為6 mm, 長度為200 mm以上。因此, 文中主要研究以水為工質, 長度200mm 以上, 直徑為6mm 的燒結式微熱管的制造方法。通過對微熱管的工作原理及其目前微熱管的常用制造方法進行分析, 提出分別采用工質凍結- 抽真空- 冷焊法與二次除氣- 冷焊法來對燒結式微熱管進行抽真空, 并進行大量的實驗, 驗證了這種制造方法的可行性與合理性。

1、微熱管工作原理

  微熱管的工作原理如圖1 所示, 微熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成, 將管內抽真空達1.3 X ( 10-1~10-4) Pa 的負壓后充以適量的工作液體, 使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封, 當蒸發段受熱時, 毛細芯中的液體蒸發汽化, 蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段放出熱量結成液體,液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段, 如此循環, 熱量就由微熱管的一端傳至另一端, 在這個循環過程中, 工質傳輸了大量的熱量。

微熱管工作原理

圖1 微熱管工作原理

  微熱管中工質量的多少, 不僅影響其傳熱性能,還會影響其是否具有傳熱可靠、安全、抗凍性等。能使微熱管有效地進行熱傳遞的部分就是工質, 在某個熱流通量下, 如果工質量比較少, 將會在蒸發段出現蒸發掉的工質液體比通過吸液芯的毛細力作用而回流的工質液體多, 在蒸發段出現由于工質液體用盡而發生干涸現象, 從而制約了微熱管的傳熱效率;如果工質量過多, 在持續的熱流通量下, 將有大量的工質液體轉換為蒸汽, 使蒸發段的溫度升高加快, 致使蒸發段的蒸汽密度增加, 微熱管中的壓力增加, 從而降低了冷凝段工質液體的回流速度, 影響工質的連續循環速率, 制約微熱管的傳熱效率。如果微熱管中的真空度達不到要求, 則不凝性氣體會聚集在微熱管的冷凝段, 從而減小冷凝段的有效長度; 另外, 有部分不凝性氣體會溶入工質液體中, 從而大大降低工質的潛熱, 減小微熱管的傳熱能力, 增加微熱管的熱阻。因此, 在對微熱管進行工質灌注、抽真空與封接的制造過程中, 必須嚴格保證微熱管中的工質量與真空度。

5、結論

  (1) 采用工質凍結- 抽真空- 冷焊法與二次除氣- 冷焊法相結合的方法來制造燒結式微熱管, 不僅可以保證微熱管中工質量與真空度的要求, 而且不必使用高真空擴散泵進行抽高真度。綜合考慮工質灌注與其它輔助時間, 總的制造時間相對于抽真空- 工質灌注- 冷焊法來說節省了2/3, 從而提高了整個燒結式微熱管的生產率, 降低了制造成本。

  (2) 工質凍結可以避免因抽真空時壓力的降低而造成工質沸騰蒸發, 但由于微熱管的蒸汽腔小, 因此要直接把工質灌注到熱管的底部, 否則凍結后會分割蒸汽腔而不能在抽真空時達到預定的要求。

  (3) 在二次除氣- 冷焊法中, 工質的損失量可通過計算得到, 并且誤差很小, 因此可以在工質灌注時考慮進去。

  (4) 采用工質凍結- 抽真空- 冷焊法與二次除氣- 冷焊法相結合的方法來制造燒結式微熱管, 其傳熱能力并不比采用抽真空- 工質灌注- 冷焊法來制造微熱管的傳熱能力差, 甚至要略好一些。