一體化陶瓷平板熱管的自由成型與傳熱性能研究*

劉桂蘭 ，陳雪芳 ，范 寧，張祥林*

(1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074;2.東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 東莞 523808)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件向微型化、高集成度以及高功率化發(fā)展，使得單位容積的電子器件發(fā)熱量越來(lái)越大，從而影響電子器件的壽命與可靠性。研究表明:單個(gè)半導(dǎo)體元件溫度升高10℃，系統(tǒng)的可靠性降低50%［1］。因此，電子器件需要良好的散熱方式，而常規(guī)的散熱方式不能滿足要求。近年來(lái)逐漸采用具有高效傳熱性能的熱管來(lái)解決散熱問(wèn)題。

平板熱管是一種新型的熱管。與傳統(tǒng)的熱管相比，具有更高的導(dǎo)熱率，能高效地實(shí)現(xiàn)散熱，降低溫度梯度［2－3］。因此，平板熱管正成為國(guó)內(nèi)外熱管界及熱管廠家研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的加工方法一般為，分別加工上下基板，通過(guò)鋸切加工矩形槽，并利用金屬焊接或鍵合等工藝實(shí)現(xiàn)上下基板的粘接［4］。該種工藝加工難度大，設(shè)備造價(jià)高。借助MAM 自由成型技術(shù)，利用Al2O3陶瓷可以在上下基板上直接成型溝槽，實(shí)現(xiàn)平板熱管的一體化加工，加工過(guò)程簡(jiǎn)單。且氧化鋁陶瓷具有高絕緣性能、與Si和GaS相近的線膨脹系數(shù)、高的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使其在電子元器件，特別是功率型LED 封裝領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用，為電子元件一體化封裝提供了條件。W.Kinzy 等［5］通過(guò)在LTCC 陶瓷基板中集成微熱管，并加入增強(qiáng)型散熱通孔，大大提高了陶瓷基板的導(dǎo)熱系數(shù)。Peter 等［6］則利用LTCC 陶瓷作為外殼成型出熱管。

本文以Al2O3陶瓷為管殼材料，成型出基于陶瓷的一體化微槽平板熱管，并對(duì)熱管進(jìn)行了不同充液率以及不同冷卻條件的對(duì)比試驗(yàn)研究，為后續(xù)熱管與電子封裝的一體化提出新方向。

1 陶瓷熱管試樣的成型與制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

本實(shí)驗(yàn)主要使用的實(shí)驗(yàn)材料如表1所示。

本文所采用的實(shí)驗(yàn)儀器有:MAM 微滴噴射自由成形系統(tǒng)(上海富奇凡機(jī)電科技有限公司)，F(xiàn)LIR A320 紅外熱成像儀，15 V 開(kāi)關(guān)電源，行星式球磨機(jī)，恒溫烘箱，高溫?zé)Y(jié)爐，pH 測(cè)定儀等。

表1 α－Al2O3陶瓷漿料配制原料

1.2 熱管試樣的制備

1.2.1 陶瓷漿料的配制

按比例將所需的添加劑溶于去離子水中，調(diào)節(jié)溶劑的PH值為9 左右。按所需質(zhì)量的α－Al2O3陶瓷粉體(48.9vol%)與溶劑充分?jǐn)嚢柚辆鶆?，并置于行星球磨機(jī)中球磨4.5 h 后備用。球料比為2 ∶1，轉(zhuǎn)速400 rot/min。

1.2.2 熱管試樣的成型

本研究所用成型技術(shù)為“MAM 自由成形技術(shù)”，成型裝備如圖1所示。其工作原理為在計(jì)算機(jī)的控制下，將設(shè)定的三維模型進(jìn)行二維切片，得到各層的輪廓數(shù)據(jù)，并生成加工路徑;根據(jù)加工路徑在步進(jìn)電機(jī)壓力的推動(dòng)下迫使材料由噴嘴噴出并沉積在工作臺(tái)上，通過(guò)逐層疊加，從而成型出各種不同結(jié)構(gòu)的器件。該方法加工過(guò)程簡(jiǎn)單，滿足熱管一體化成型的要求。

圖1 MAM 成形裝備

采用UG NX6.0 對(duì)熱管進(jìn)行三維實(shí)體造型，用MAM 成型系統(tǒng)對(duì)模型實(shí)現(xiàn)二維切片并生成加工路徑。調(diào)節(jié)成型工藝參數(shù)，按預(yù)設(shè)定的加工路徑，成型出熱管試樣。熱管管芯結(jié)構(gòu)俯視圖如圖2(a)所示。

與傳統(tǒng)熱管不同，本實(shí)驗(yàn)中的陶瓷熱管是一體化陶瓷平板熱管。其上下表面槽道端部能相接觸，并使用0.35 mm 厚的支撐層替代傳統(tǒng)的毛細(xì)芯。該支撐層與溝槽垂直，并與溝槽組成一系列近矩形的孔，以提高微槽道平板熱管的毛細(xì)抽吸力。熱管的結(jié)構(gòu)成果圖如圖2所示。圖2(b)為熱管橫截面的二維工程圖。其中，帶陰影部分為上下溝槽，中間橫向的為支撐層。支撐層與溝槽之間相互連通。

將成型好的熱管置于60℃烘箱中干燥12 h 后，放入高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)工藝流程如下:

圖2 熱管的結(jié)構(gòu)成果圖

燒結(jié)后得到熱管的原型。該原型保留長(zhǎng)約2 mm～3 mm 的未密封長(zhǎng)方形充液孔。其外形尺寸為14.8 mm×5.7 mm×3.2 mm，槽寬為0.2 mm，槽深為1.0 mm。

2 陶瓷熱管的封裝與檢測(cè)

2.1 陶瓷熱管的充液

熱管的充液和抽真空技術(shù)包括設(shè)備抽真空法、煮沸法及微注射器法。設(shè)備抽真空法真空度高，熱管性能較好，但系統(tǒng)繁雜且不適用于體積過(guò)小的熱管;而煮沸法和微注射器法操作方便，但真空度很低。由于本實(shí)驗(yàn)所成形的熱管體積過(guò)小，對(duì)真空泵要求高，故實(shí)驗(yàn)中選用了操作簡(jiǎn)單的微注射器法［7］實(shí)現(xiàn)抽真空和充液等工序，其基本原理圖如圖3所示。

圖3 熱管的抽真空－充液原理圖

用酒精清洗熱管，并將清洗完的熱管置于90℃烘箱中烘烤10 min至完全干燥。將干燥后的熱管除充液孔外其余用密封膠密封好［8］。用微注射器將熱管充滿工作介質(zhì)(簡(jiǎn)稱工質(zhì))，并記下熱管內(nèi)工質(zhì)的總體積。選用高彈性橡膠皮用密封膠密封在充液孔處。用微注射器進(jìn)行抽液，觀察微注射器的液柱刻度。待刻度達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)停止抽液，并迅速密封。

通過(guò)以上方法，能保證一定的真空度，并達(dá)到較為精確的充液率。但鑒于微注射器的精度，該實(shí)驗(yàn)真空度偏低。

2.2 陶瓷熱管性能測(cè)試

熱管的放置主要為正裝和倒裝。倒裝時(shí)由于熱源在底部，熱沉置于頂部，有利于蒸汽的蒸發(fā)以及工質(zhì)的冷凝回流。但考慮到實(shí)驗(yàn)中的熱管厚度方向尺寸較小，僅有3.2 mm，重力對(duì)蒸汽影響不大，倒裝的必要性降低;同時(shí)由于溫度檢測(cè)的方便性與可靠性，故本實(shí)驗(yàn)選擇熱管正裝的方法。

陶瓷微熱管的性能測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中所采用的工質(zhì)為水。熱管采用貼片電阻(1218－10R)作為熱源，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱電壓得到所需的加熱功率。在熱源和熱管間涂有約0.2 mm 厚的導(dǎo)熱硅膠以減小貼片電阻和熱管間的接觸熱阻。熱管的冷卻以熱沉(銅板)散熱方式為主，通過(guò)調(diào)整冷卻端的位置，以改變陶瓷微熱管的冷卻方式。熱管的溫度場(chǎng)分布可通過(guò)紅外攝像儀觀察得，并檢測(cè)如圖4所示點(diǎn)T1～T4的溫度。

圖4 陶瓷的性能測(cè)試系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 充液率對(duì)傳熱性能的影響

定義充液率為工質(zhì)占熱管蒸汽腔體積的比率。對(duì)不同充液率下熱管傳熱性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。圖中為空冷條件下，加熱功率為1W(熱流密度為5.3 W/cm2)時(shí)，熱管在充液率分別為0、30、70、100、125%以及純氧化鋁實(shí)體下的溫度分布圖。其中，T1為電阻的最高溫(結(jié)溫)，T4為熱管的冷端溫度。取沿軸向方向的溫差作參考，未充液的平板熱管溫差最大，高達(dá)20.8℃，均溫性能最差;隨著充液率的提高，熱管的溫差逐漸減小，在6 組試樣中，100%充液率熱管兩端溫差最小，只有5.5℃。充液率繼續(xù)提高，熱管的溫差又逐漸增加。其中，125%充液率的熱管兩端溫差7.7℃，均溫性明顯比100%的有所降低。

圖5 不同充液率下T1～T4點(diǎn)的溫度分布

這是由于未充液的平板熱管(充液率0%)主要依靠熱管外殼的熱傳導(dǎo)，以及外殼與空氣間的熱交換，交換系數(shù)較小，故電阻片的熱量無(wú)法迅速傳出，加熱段熱量集中，溫度分布不均。實(shí)驗(yàn)中30%、70%充液率較低，工質(zhì)蒸發(fā)較快，而冷凝液回流過(guò)慢，導(dǎo)致熱管產(chǎn)生可能的干燒現(xiàn)象［9］，熱管的熱阻較大，故溫差較大。其中30%組溫差為13.3℃，超過(guò)理論的允許值(10℃);100%充液率下熱阻較小，比純氧化鋁的傳熱性能更好。隨著工質(zhì)的繼續(xù)增加，管內(nèi)過(guò)多的工質(zhì)來(lái)不及蒸發(fā)，同時(shí)存在池狀蒸發(fā)與冷凝液的膜狀蒸發(fā)，熱管的冷凝回流被阻隔，熱阻有所增加，故125%充液率下溫差比100%的更大。由此，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的陶瓷平板熱管，100%充液率的熱管性能最好。

3.2 冷卻條件對(duì)傳熱性能的影響

圖6為75%充液率的熱管在不同冷卻條件下的溫度分布圖。其冷卻條件分別為:空冷、平板蒸汽腔銅板散熱(冷卻范圍為整個(gè)底面)及平板熱管銅板散熱(冷卻范圍為一端冷卻)。從圖中可知，由于熱管與空氣熱交換(空冷)系數(shù)遠(yuǎn)低于熱管與銅板之間的導(dǎo)熱系數(shù)，故在空冷條件下，熱管傳熱效率低，電阻結(jié)溫比銅板熱沉散熱時(shí)的結(jié)溫高20℃以上。而空冷條件下，熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫差高達(dá)19.5℃，熱管接近失效。故熱管作為傳熱介質(zhì)，僅起到傳熱作用，而要提高散熱效率必須有合理的熱沉冷卻條件。

圖6 75%充液率空冷、平板蒸汽腔銅板散熱及平板熱管銅板散熱溫度分布圖

使用銅板作為熱沉?xí)r，平板蒸汽腔工作的結(jié)溫普遍比平板熱管低5℃～10℃。在均溫性方面，平板熱管銅板散熱時(shí)，熱管的溫差達(dá)9.7℃;而同樣功率條件下的平板蒸汽腔銅板散熱的溫差僅有8.9℃。這是因?yàn)槠桨鍩峁苁且痪S傳熱，熱量主要沿著軸向傳遞，傳熱效率低;而平板蒸汽腔是二維傳熱［10］，不僅有軸向方向的傳熱，還有垂直方向的傳熱。故在相同的銅板熱沉冷卻情況下，平板蒸汽腔的傳熱效果和均溫效果比好平板熱管好。

4 結(jié)論

(1)利用MAM 成形技術(shù)成型出一體化陶瓷平板微熱管。其外形尺寸為14.8 mm×5.7 mm×3.2 mm，槽寬為0.2 mm，槽深為1.0 mm。

(2)在熱流密度為5.3 W/cm2下，陶瓷平板熱管仍具有較強(qiáng)的均溫性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于陶瓷平板熱管，100%充液率的陶瓷平板熱管兩端溫差僅有5.5℃，傳熱性能和均溫性能最好。

(3)與平板熱管的結(jié)溫相比，平板蒸汽腔的結(jié)溫普遍降低5℃～10℃，且兩端溫差更小。而采用銅板熱沉散熱方式時(shí)，結(jié)溫比空冷條件下低20℃。

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