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丝网吸液芯超薄热管制造及其传热性能研究

唐恒  
【摘要】:快速增加的系统发热已经成为当代先进微电子芯片系统研发与应用的一项重大技术挑战。热管以其高导热率、高稳定性和长寿命等优点在高热流密度元件热控领域得到广泛应用。但是,随着电子产品不断朝着高性能化与轻薄化的方向发展,其对热管的尺寸和性能提出了新的要求。传统粉末烧结、沟槽拉拔式热管面临尺寸过大、传热性能难以提升等技术瓶颈,探索具有新型吸液芯结构的超薄热管的制造工艺及传热性能规律已成为解决轻薄型电子器件散热问题的关键。鉴于此,本文以铜丝网烧结吸液芯超薄热管为研究对象,从热管的结构设计与制造工艺、丝网吸液芯表面氧化腐蚀及毛细性能表征、热管传热性能三个方面进行了系统且深入的研究,主要开展的研究工作如下:根据不同电子器件对超薄热管的尺寸及传热性能需求,采用一种全新的螺旋带状结构的铜编织丝网作为超薄热管的吸液芯结构,并对不同压扁厚度的丝网吸液芯超薄热管的结构设计及其成形机理展开系列研究,解决了超薄热管在内部结构设计及制造工艺等方面的技术难题。通过对固相烧结参数的优化以及热管在相变压扁过程中的应力分析,制定了合理的铜丝网吸液芯烧结成形工艺和适用于丝网吸液芯超薄热管的成形方案,为超薄热管的产业化发展打下坚实基础。针对丝网吸液芯毛细压力低的问题,提出一种碱辅助表面氧化工艺对铜丝网吸液芯表面进行氧化腐蚀,并通过高温烧结工艺控制其表面结构与纤维基体的结合强度。采用扫描电镜对氧化和烧结处理后的铜丝网吸液芯表面微观形貌进行了表征,并通过毛细上升红外测试方法对其毛细性能进行了测试,研究了表面氧化腐蚀对丝网吸液芯毛细性能的影响及其作用机理。结果表明,表面氧化腐蚀可有效提升丝网吸液芯的毛细性能,当铜丝网吸液芯的氧化时间和烧结温度分别控制在15 min和500℃左右时最为合适。在前期研究成果的基础上,设计并制造了压扁厚度为1.2 mm、1.0 mm和0.8 mm三种铜丝网吸液芯超薄热管,对其在不同输入功率以及不同工作倾角下的传热性能进行了测试,分析了丝网吸液芯表面氧化腐蚀对超薄热管传热性能的强化作用。通过与传统铜粉烧结吸液芯超薄热管的传热性能对比发现,氧化腐蚀后的丝网吸液芯可有效提升超薄热管的传热性能。针对极端压扁厚度(≤0.5 mm)下超薄热管传热特性的变化,以压扁厚度为0.50 mm、0.47 mm、0.44 mm、0.41 mm和0.38 mm的铜丝网烧结吸液芯超薄热管为研究对象,通过对其启动性能以及它们在水平、竖直和倒置三个不同方向的传热性能测试发现,超薄热管的启动速度及极限传热功率随热管压扁厚度的减少而逐渐降低;而重力作用对热管的传热性能影响较小,其在水平、竖直和倒置三个方向测试时的极限传热功率相差甚微。


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