李 洋,王松偉,劉勁松,,張士宏,韓秋水,胡寬雨
(1.沈陽理工大學材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110159;2.中國科學院金屬研究所,師昌緒先進材料創(chuàng)新中心,遼寧沈陽 110016;3.廣東龍豐精密銅管有限公司,廣東 珠海 519090)
隨著電子信息行業(yè)的飛速發(fā)展和5G通信技術(shù)的普及,大功率電子設備如智能手機、平板電腦等朝著多功能、小型化和集成化方向發(fā)展。隨之帶來的是設備內(nèi)部的高熱流密度,熱量的積累將導致集成器件周圍的溫度不斷升高,并影響電子元件的工作性能[1-2]。有相關(guān)研究表明,在70~80℃的水平上,溫度每升高10℃,電子設備芯片計算能力會下降50%[3]。如何快速有效地導出內(nèi)部積累的熱量已經(jīng)成為電子設備制造領(lǐng)域的瓶頸問題。
相變傳熱技術(shù)以其高傳熱性能、穩(wěn)定性、長壽命、低成本等優(yōu)點成為電子產(chǎn)品散熱的首要選擇[4-5]。熱管最初應用于降低飛船陽面與陰面的溫度差,此后廣泛應用于航空航天、建筑、冶金等諸多領(lǐng)域。青藏鐵路是世界上最長的高原鐵路,為解決凍土層的凝固和融化對鐵路地基的影響,熱管技術(shù)被運用到了鐵路建設上。由于地表溫度常年低于土壤溫度,埋入地下的熱管把土壤熱量傳導至地面,保持凍土低溫凍結(jié)狀態(tài)[6]。熱管主要由管殼、吸液芯和工作液體構(gòu)成,可分為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段。工作液體在蒸發(fā)段吸收熱量蒸發(fā),蒸汽流向冷凝段液化并放出熱量,冷凝后的液體在吸液芯的毛細力作用下回流至蒸發(fā)段進行下一個循環(huán)。其工作原理如圖1所示[7]。由于銅材料具有良好的導熱能力,易于塑性變形等特點,銅基熱管被廣泛作為電子設備散熱元件。電子產(chǎn)品向著小型化、輕薄化的方向發(fā)展,導致電子產(chǎn)品內(nèi)部可利用的空間非常有限。因此,熱管需要經(jīng)過繞彎、壓扁等加工,使之與產(chǎn)品內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)相配合,使熱管與熱源更加貼合,提高產(chǎn)品的美觀度與散熱效率[8]。
圖1 熱管的工作原理
本文介紹了目前廣泛應用的幾種超薄熱管,分析它們在加工與使用過程中存在的問題,并對電子器件散熱發(fā)展趨勢進行科學地預測與展望。
根據(jù)吸液芯結(jié)構(gòu)的不同,銅基熱管可分為溝槽型、燒結(jié)型和復合型等。每種類型的熱管性能優(yōu)勢不同,本文簡要介紹幾種類型的熱管,說明它們的工作原理及優(yōu)勢,對影響熱管傳熱的主要因素進行分析。
溝槽型熱管的吸液芯是銅管內(nèi)表面的一些平行于軸向分布的槽道,如圖2所示。與其他類型的吸液芯相比,溝槽管的吸液芯與銅管連為一體,在繞彎、壓扁等二次加工時不會出現(xiàn)吸液芯脫落的現(xiàn)象。在傳熱過程中,熱管蒸發(fā)段從熱源吸收熱量,銅管通過熱傳導過程把熱量傳遞給內(nèi)部工質(zhì),不需要經(jīng)過銅管與吸液芯之間的熱傳遞過程,有效地降低了熱阻。由于溝槽型熱管吸液芯的毛細力較弱,在使用時溝槽管的蒸發(fā)段要位于冷凝段的下方,冷凝后的液體依靠重力的作用回到蒸發(fā)段。溝槽型熱管雖然毛細力較小,但具有較好的滲透率,回流阻力較?。?-10]。溝槽管進行大變形彎折后會導致熱管失效,使溝槽管的傳熱性能顯著下降。
圖2 溝槽型熱管
微型溝槽型熱管的加工方式主要有高速充液旋壓、擠壓-犁削、微細電解加工技術(shù)、激光刻蝕加工技術(shù)等[11]??紤]到生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率,目前溝槽管主要采用管內(nèi)壁旋壓成形工藝生產(chǎn)[12]。此成形工藝加工過程較簡單,有利于工業(yè)化生產(chǎn)應用。圖3為內(nèi)壁旋壓成形工藝制造溝槽管原理示意圖,連桿和多齒芯頭固定在一起裝入到銅管內(nèi),圍繞著銅管外部固定有旋壓鋼球,隨著銅管向前運動,鋼球也在旋壓蓋的帶動下圍繞著銅管周向滾動。滾珠和多齒芯頭的擠壓作用使銅管發(fā)生塑性變形,塑性流動的金屬向多齒芯頭齒間隙內(nèi)填充,在銅管內(nèi)壁留下溝槽結(jié)構(gòu)。
圖3 內(nèi)壁旋壓成形工藝原理
影響溝槽管傳熱的主要因素有溝槽的截面形狀和深寬比。溝槽的開口形狀主要有三角形、梯形和矩形,其中倒梯形開口形狀溝槽的傳熱效率最好,但制造難度較大。影響溝槽管傳熱性能的工藝參數(shù)主要為銅管的進給速度和旋壓球數(shù)量。隨著銅管進給速度的降低,溝槽具有更大的深寬比,溝槽的深寬比越大,傳熱性能越好。為獲得良好的傳熱效率,應降低銅管的進給速度,但銅管較低的進給速度會造成生產(chǎn)效率的下降,因此,應選擇合適的銅管進給速度。旋壓球數(shù)量越多深寬比也越大,但銅管的周長有限,在生產(chǎn)時應合理選擇旋壓球的直徑與數(shù)量。
燒結(jié)熱管通過在銅管內(nèi)表面燒結(jié)一層具有多孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié)層作為吸液芯[13],如圖4所示。燒結(jié)層多孔毛細結(jié)構(gòu)為工質(zhì)液體回流提供較大的毛細力,不受使用方向的限制。文獻[14-15]研究了重力對燒結(jié)熱管產(chǎn)熱性能的影響,大部分熱管的傾角為30~60°時燒結(jié)熱管具有最佳的傳熱效率。因此,燒結(jié)熱管的使用范圍更加廣泛。與溝槽型熱管相比,燒結(jié)熱管的抗重力性能好,但滲透率比較低。燒結(jié)熱管在壓扁過程中會出現(xiàn)燒結(jié)層脫落的現(xiàn)象,導致熱管的傳熱性能嚴重降低。
圖4 燒結(jié)型熱管
燒結(jié)熱管的制作需要經(jīng)過燒結(jié)、縮管、注液、一次除氣、二次除氣、繞彎或壓扁等工藝過程。燒結(jié)熱管制備需要銅管填粉后在較高的溫度下燒結(jié),使得銅粉與銅粉、銅粉與管壁粘結(jié)在一起,形成具有多孔結(jié)構(gòu)的吸液芯。吸液芯中相互連通,呈現(xiàn)開放狀態(tài)的孔隙為吸液芯的有效結(jié)構(gòu)。吸液芯的孔隙率決定了燒結(jié)熱管毛細力的大小,當銅粉填充過程結(jié)束后,吸液芯的孔隙率也就隨之確定。所以,為得到滲透率良好的吸液芯應選擇合適粒徑范圍的銅粉。Jiang等[16]研究表明銅粉的粒徑和填充厚度不同所需要的燒結(jié)時間與燒結(jié)溫度也是不同的。當填充厚度為0.45 mm,選用159 μm粒徑的銅粉時,最佳的燒結(jié)時間為3 h,最佳的燒結(jié)溫度為950 ℃。
目前對燒結(jié)熱管的研究多集中在傳熱性能、吸液芯的選擇、熱管的使用方向?qū)鳠嵝阅艿挠绊懙确矫妫瑹Y(jié)熱管在壓扁、繞彎等加工過程中出現(xiàn)的缺陷研究較少,缺陷對于燒結(jié)熱管傳熱性能的影響還沒有相關(guān)研究。
編織網(wǎng)型熱管通過在銅管內(nèi)部燒結(jié)具有三維結(jié)構(gòu)的編織絲網(wǎng)作為熱管的吸液芯[17],如圖5(a)。編織絲網(wǎng)采用銅絲線編制而成,在高溫燒結(jié)時,絲線之間發(fā)生粘結(jié),達到提高毛細力和滲透率的目的。為了滿足產(chǎn)品需求,開發(fā)出了多層不同直徑銅絲編織的吸液芯,這種編織網(wǎng)在燒結(jié)后,絲線間形成不同直徑的毛細孔,進一步提高了毛細力與滲透率。圖5(b)為多層編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的吸液芯[18]。
圖5 (a)編織網(wǎng)型熱管;(b)多層編織網(wǎng)型吸液芯
編織網(wǎng)型熱管在壓扁時不會出現(xiàn)燒結(jié)熱管與壁面脫落或斷裂的問題,而且相較于溝槽熱管,編織型熱管的毛細力提高,對熱管使用方向的限制減小。復合型熱管雖然提高了毛細力,但毛細力小于燒結(jié)熱管,滲透率與溝槽管相比也有所降低。所以,單一的編織網(wǎng)型熱管的使用率并不高。
文獻[19-21]介紹了幾種復合吸液芯,并對其成形工藝進行了說明。復合型熱管綜合了各類型熱管的優(yōu)點,提升了熱管的綜合性能。但復合型熱管生產(chǎn)工藝復雜,生產(chǎn)成本高,限制了其應用空間。為了滿足產(chǎn)品需求,通過組合不同類型的吸液芯,得到不同優(yōu)異性能的熱管。
銅粉編織網(wǎng)型復合熱管的制造工藝與燒結(jié)型熱管相同,都需要經(jīng)過高溫燒結(jié)的工藝過程。與燒結(jié)熱管相比,復合型熱管的滲透率提高的同時沒有導致毛細力的嚴重下降,在壓扁過程中,不會與壁面脫落,大大降低了這種失效現(xiàn)象的產(chǎn)生。燒結(jié)粉末與絲網(wǎng)一起燒結(jié),既改善了燒結(jié)時吸液芯脫落問題,又提高了絲網(wǎng)吸液芯的毛細力。燒結(jié)粉末與溝槽結(jié)構(gòu)相結(jié)合,改善了溝槽管毛細力較小的問題,改善了燒結(jié)熱管滲透率較小的問題。通過這種優(yōu)化組合,大大拓展了熱管的應用空間,提高了熱管的導熱效率。
隨著電子產(chǎn)品與設備對熱管的要求逐漸增高,各種類型、各種結(jié)構(gòu)的吸液芯不斷被開發(fā)出來,大大提高了熱管的散熱效率。
3.1.1 彎曲起皺
熱管繞彎成形是熱管為配合電子產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)而進行的加工過程。由于熱管在繞彎時,管外側(cè)受拉應力作用變薄,管內(nèi)側(cè)靠近彎曲模一端由于受到壓應力的作用而失穩(wěn)發(fā)生起皺。圖6為在繞彎成形過程中,熱管內(nèi)部沒有芯棒等提供支撐力導致薄壁熱管繞彎部位內(nèi)側(cè)出現(xiàn)起皺的現(xiàn)象。崔曉磊等[22]對管材立體高壓成形過程中起皺行為進行了討論,管材在內(nèi)壓和軸向補料的聯(lián)合作用下逐漸貼靠模具型腔,補料量過大會導致軸向塑性失穩(wěn),產(chǎn)生起皺缺陷。燒結(jié)熱管嚴重的向內(nèi)屈曲褶皺會造成熱管內(nèi)部氣流通道面積的減小,導致傳熱效率嚴重下降。在燒結(jié)熱管彎曲時還會導致吸液芯的脫落,使熱管失效。管材在彎曲時內(nèi)側(cè)壁厚增加,外側(cè)壁厚減薄。熱管經(jīng)過一次除氣和二次除氣,內(nèi)部為負壓狀態(tài),減薄部分受到大氣壓力的影響也會出現(xiàn)向內(nèi)塌陷的現(xiàn)象。戴莉等[23]采用有限元分析的方式研究了材料參數(shù)對不銹鋼管繞彎起皺的影響,屈服強度和彈性模量對起皺的影響較大,厚向異性指數(shù)、硬化指數(shù)、強度系數(shù)和泊松比對起皺的影響次之。王修坤等[24]提出純滾動式繞彎工藝,與傳統(tǒng)繞彎工藝相比明顯降低了繞彎褶皺的程度,這種工藝對管壁的拉力只有傳統(tǒng)繞彎工藝的1/3。文獻[25-26]表明彎曲半徑越大、多道次彎曲、一致的彎曲速度等可使熱管內(nèi)側(cè)的褶皺問題得到優(yōu)化。
圖6 熱管繞彎起皺
3.1.2 壓扁塌陷
文獻[27-28]對圓管壓扁過程進行分析,在壓扁過程中,由于平直段受到壓應力的作用而出現(xiàn)塌陷。熱管在壓扁時,動模向下運動,熱管壓扁平面不斷變寬,最終成為一定厚度的扁平狀熱管。鄧大祥等[29]對V型溝槽管進行連續(xù)壓扁實驗表明,硬態(tài)溝槽管壓扁過程中會依次產(chǎn)生“一次塌陷”、中間折痕、“二次塌陷”等截面缺陷,而軟態(tài)溝槽管壓扁成形性能較好。如圖7(a)為熱管冷壓扁后截面形狀。壓扁初期,動模與熱管接觸,熱管上部開始變平,隨著壓下量的增大,壓扁平面的寬度越來越大,動模對熱管的壓力沿曲面?zhèn)鬟f,逐漸變成對兩側(cè)的擠壓;在壓扁中期,隨著動模與熱管的接觸面積增大,兩者之間的摩擦力限制了中部金屬向兩側(cè)流動;壓扁后期,熱管兩側(cè)對中部金屬的擠壓導致中部向下凹,熱管中部與磨具分離。冷壓扁后,壓扁平面呈現(xiàn)沿熱管軸向塌陷的狀態(tài),嚴重影響熱管的使用性能。塌陷會導致蒸汽流通面積的減小,甚至導致上下壓扁平面接觸到一起,嚴重影響熱管吸液芯的空隙結(jié)構(gòu)。文獻[30-31]對圓管的壓扁過程的受力進行分析,提出將集中應力改成分布應力,由中間受力改變?yōu)閮蓚?cè)受力,可有效解決壓扁塌陷問題。目前采用相變壓扁的制造工藝可以有效改善壓扁塌陷現(xiàn)象[32]。相變壓扁工藝,把熱管加熱到一定的溫度,熱管內(nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)形成蒸汽,內(nèi)部壓力升高,為熱管壓扁平面提供支撐力,使壓扁平面保持平直的貼模狀態(tài),如圖7(b)。相變壓扁的溫度過高會導致內(nèi)部蒸汽壓過大,熱管壓扁后回彈量過大,同時,壓扁過程中,熱管兩側(cè)應力集中較大,過大的蒸汽壓會導致熱管出現(xiàn)破裂。因此,在相變壓扁時應根據(jù)工質(zhì)液體選擇合適的溫度,才能達到理想的成形效果。
圖7 (a)熱管冷壓扁截面;(b)熱管相變壓扁截面
3.2.1 繞彎橘皮
熱管在電子產(chǎn)品中的應用會受到內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的限制。在電腦內(nèi)部,熱管將中央處理器產(chǎn)生的熱量傳遞到風扇下方,通過風扇把熱量排出,如圖8(a)。因此,熱管在安裝時需要合理規(guī)劃路徑,對熱管進行繞彎加工。在熱管繞彎后,彎曲表面會出現(xiàn)橘皮狀的粗糙現(xiàn)象,如圖8(b)。橘皮現(xiàn)象是材料具有粗晶粒或者因塑性變形不均所造成的零件表面出現(xiàn)的一種粗糙、形如橘皮的缺陷[33],這種缺
陷不僅會使熱管的耐腐蝕能力下降,而且會影響美觀[34]。文獻[35-38]表明由于晶粒不均勻,加工過程中變形不均導致出現(xiàn)宏觀橘皮現(xiàn)象。Wang等[39-40]對薄壁燒結(jié)熱管熱處理過程中微觀組織的演化表明,P元素對晶界的釘扎作用導致硬取向晶粒遺留在退火后的基體中,條帶狀孿晶與基體晶粒不協(xié)調(diào)變形導致熱管繞彎出現(xiàn)橘皮。橘皮缺陷在合金中是比較常見的一種表面缺陷。嚴重時,部分燒結(jié)熱管產(chǎn)品在繞彎后,熱管繞彎處外側(cè)出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象,如圖8(c)。彭博等[41]通過有限元分析的方法對薄壁管材的繞彎成形過程進行了研究,模具與管材摩擦系數(shù)的增大,管材中心層外側(cè)管壁逐漸減薄,增大了破裂的風險。
圖8 (a)電腦中的熱管;(b)熱管繞彎橘皮缺陷;(c)熱管繞彎表面裂紋
3.2.2 壓扁凹坑
為了適應電子產(chǎn)品小型化、輕薄化的發(fā)展趨勢,熱管需要根據(jù)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品形狀進行調(diào)整。壓扁后的熱管可以很好地適應手機等超薄便攜型產(chǎn)品的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu),相比壓扁前,熱管內(nèi)部的燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)遭到了部分破壞,燒結(jié)式熱管導熱效率有所下降,同時,扁平的熱管結(jié)構(gòu)可以增大與熱源的換熱面積。如圖9,壓扁處理后熱管表面會出現(xiàn)局部凹坑缺陷,這種缺陷導致熱管與熱源貼合不緊密,在熱管與熱源之間存留一層空氣,增加了界面熱阻,降低了熱管的傳熱效率[42]。燒結(jié)熱管壓扁平面局部凹坑是由于微觀組織的塑性變形不均勻?qū)е碌?。在變形過程中,不同取向晶粒之間滑移系開啟的難易程度不同,易發(fā)生滑移的大尺寸晶粒發(fā)生變形,從而出現(xiàn)宏觀凹坑形貌。目前,行業(yè)內(nèi)對于這種表面凹坑缺陷問題的研究不是很多,熱管壓扁表面凹坑形貌產(chǎn)生的機理也需要進一步研究,解決表面凹坑缺陷對于散熱行業(yè)的發(fā)展具有一定的工程價值與意義。
圖9 熱管壓扁表面凹坑缺陷
3.2.3 表面缺陷形成原因分析
許竹桃等[43]研究銅母排冷彎過程中出現(xiàn)橘皮狀缺陷發(fā)現(xiàn):大量滑移局限在少數(shù)孿晶內(nèi)使變形不均勻是導致橘皮產(chǎn)生的原因。趙雙等[42]認為在高溫下燒結(jié),二次再結(jié)晶長大不均勻,導致了熱管表面在彎曲時出現(xiàn)褶皺,壓扁時出現(xiàn)凹坑現(xiàn)象。柳華炎等[44]通過向鋁合金板材中加入微量Zr使晶粒細化,解決了鋁合金沖壓橘皮紋缺陷問題。如圖10(a),熱管表面缺陷部位金相觀察表明,熱管的基體組織晶粒較為粗大,平均晶粒尺寸為452.3 μm,并且基體晶粒內(nèi)部有大量的孿晶,而在熱管的橫截面上晶粒異常長大至僅為一層晶粒。銅管晶粒尺寸不均及大尺寸退火孿晶是橘皮與局部凹坑缺陷出現(xiàn)的原因之一,在繞彎及壓扁過程中,孿晶的滑移系開啟所需要的切應力較大,不易發(fā)生變形,位錯的運動在孿晶界處被阻礙,晶粒塑性變形不均,部分晶粒被撕裂,如圖10(b)。在加工過程中,孿晶與基體晶粒變形不協(xié)調(diào)造成了表面缺陷。研究表明[45],通過加入稀土元素可有效抑制銅管高溫熱處理過程中的再結(jié)晶晶粒長大,稀土相通過抑制孿晶界的遷移,形成強烈的孿晶三叉晶界拖曳作用達到晶粒細化的目的。
圖10 (a)熱管缺陷表面金相;(b)熱管截面金相
目前,隨著各行各業(yè)對散熱需求的提高,熱管向著產(chǎn)品類型的多樣化、應用領(lǐng)域的廣泛化發(fā)展[46]。同時,熱管的散熱性能也在不斷優(yōu)化和提高。在許多領(lǐng)域,熱管被用來解決散熱難題,但銅基熱管仍然存在散熱面積小、耐振動性能差、抗腐蝕能力弱等問題。
熱管成形工藝越來越復雜。由于電子設備內(nèi)部越來越復雜的結(jié)構(gòu),熱管也由二維的壓扁折彎逐漸過渡到三維空間成形,如圖11。熱管的成形工藝越來越復雜,對熱管管殼材料的要求及吸液芯適應變形能力的要求也越來越高。熱管成形加工工藝不斷優(yōu)化,滾動繞彎工藝逐漸替代傳統(tǒng)繞彎工藝來減少繞彎褶皺的出現(xiàn),相變壓扁工藝不斷優(yōu)化,根據(jù)壓扁受力形式優(yōu)化模具結(jié)構(gòu),熱管的散熱也由一維散熱轉(zhuǎn)為二維散熱,散熱面積及散熱效率得到優(yōu)化。
圖11 熱管三維折彎
熱管應用環(huán)境越來越復雜。微型熱管技術(shù)的出現(xiàn),使得熱管在醫(yī)療手術(shù)、電子裝置芯片、筆記本電腦CPU的冷卻、電路控制板的冷卻、太陽能熱水器、太陽能電站、核電工程中的應用得到了極大的發(fā)展[47-48]。由于熱管適用范圍的廣闊性與使用環(huán)境的復雜性,熱管的耐振動與腐蝕問題也愈發(fā)嚴重。工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動、溫差、雜質(zhì)等因素使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕,流動阻力增大,使熱管的傳熱性能降低[49]。管殼被腐蝕后還會導致強度下降,引起管殼穿孔,使熱管完全失效。解決熱管腐蝕問題也是未來熱管性能優(yōu)化的重要方向。
熱管材料與結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。隨著成形加工技術(shù)的不斷發(fā)展與進步,稀土微合金化熱管管殼制備工藝不斷成熟,對銅基薄壁熱管管殼材料微觀組織進行優(yōu)化調(diào)整,可解決燒結(jié)熱管表面質(zhì)量問題。由于對熱管強度與散熱能力的追求,其他材料也不斷應用到熱管上來,鋁熱管與鋼熱管的應用范圍也會越來越廣,但銅基熱管仍是散熱領(lǐng)域的主流。由于對散熱性能的要求越來越高,多孔泡沫吸液芯、纖維燒結(jié)型吸液芯等各種類型的吸液芯被開發(fā)出來。高毛細率、滲透率與較高強度的吸液芯被不斷地開發(fā)與應用。
多種散熱技術(shù)協(xié)同發(fā)展。除了目前應用比較廣泛的熱管散熱技術(shù)以外,國內(nèi)外還開發(fā)了多種獨特和新型的散熱技術(shù),逐步受到研究學者的重視。例如液態(tài)金屬散熱采用低熔點合金作為熱管的工質(zhì),這是因為金屬具有高導熱、低熔點、高比熱容的特點,可以極大提高熱管的熱導效率。這些技術(shù)有望成為未來高效散熱的主流[50]。
隨著電子信息行業(yè)的迅猛發(fā)展,處理器的計算能力不斷被開發(fā),芯片的發(fā)熱量也與日俱增,普通的熱管很難達到散熱要求,熱管向著優(yōu)化吸液芯和探索新種類工作液體方面發(fā)展。同時,各種類型的散熱新技術(shù)也不斷地應用于高熱流密度電子設備。熱管的加工工藝不斷改進,加工方法不斷升級,熱管在制備及加工方面的問題不斷被解決,熱管的散熱潛力不斷被開發(fā)。