模塊導熱盒微熱管安裝工藝研究

程虎 胡暢

摘要：隨著模塊集成度越來越高，集成芯片被大量使用，這些芯片功耗高，散熱成了決定產品穩定性和運行時間長短的重要因素。在導熱盒設計中，微熱管散熱應用廣泛，微熱管的安裝方式直接影響著產品的質量和生產效率，現通過模塊導熱盒微熱管安裝工藝研究，找到了壓力機和陰陽互補的支撐模具配合使用的壓合方式，滿足了生產需求。

關鍵詞：模塊導熱盒;微熱管;安裝工藝

0? ? 引言

隨著模塊集成度越來越高，集成芯片被大量使用，輸入功率不斷提高，使得熱流密度急劇增大，導致器件性能隨之降低[1-2]，散熱成了決定產品穩定性和運行時間長短的重要因素。微熱管的導熱系數高于常見金屬2～3個量級[3-5]，因此微熱管散熱技術應用廣泛。

鑲嵌貼合是微熱管安裝在散熱模塊上的一種有效方式，傳統的作業方式為用錘子手工將熱管敲入導熱盒的凹槽中。這種方式費時費力，生產的工人需要大量時間才能完成一根熱管的安裝，而且可能敲廢熱管，造成浪費。同時，在敲擊過程中會造成導熱盒表面有輕微凹陷的損傷，嚴重時會造成導熱盒報廢。敲擊時的噪聲也會對工人的健康造成影響。由于是工人手工操作，工藝的一致性無法保證，因此敲出來的熱管在外觀上有好有壞。為了提高質量及效率，急需對現有的安裝工藝進行優化改進。

1? ? 工藝原理分析

對現有工藝進行解構分析，得到的力學過程可以簡單地描述如下：錘子快速落下，與熱管接觸，熱管在垂頭部分受到一個較大的壓強，熱管受力后向凹槽內運動并且發生形變，熱管外殼與凹槽表面緊密接觸，保證了熱量在結構件與熱管間的傳遞，同時兩者間的摩擦力也保證了熱管的安裝強度，如圖1所示。

將這一瞬態過程放慢，可以轉化為一個漸變的壓入過程，壓入過程可以類比于機械加工中的沖壓和折彎工藝。用壓力機的壓頭替代垂頭，并施加合適的壓力曲線，理論上可以實現與錘子敲擊熱管一樣的結果。相比用錘子敲擊，受壓下的熱管和結構件的表面受到的沖擊小，損傷就會減小，同時也消除了噪聲。壓力機施壓過程如圖2所示。

2? ? 安裝工藝的研究過程

首先考慮簡單情況下的熱管壓裝，即只需要安裝兩根熱管情況下的實際效果。以能提供5 t壓力的高密度連接器壓接機和能提供10 t壓力的精密伺服壓裝機作為對微熱管施加壓力的設備，以若干個方塊作為導熱盒的下墊模，用于工藝試驗。

使用2根熱管的導熱盒通過壓力設備壓裝，測量結果是熱管相對于表面高度超差0.1 mm，滿足工藝要求。

接下來考慮復雜情況下的熱管壓裝，即需要安裝5根熱管情況下的實際效果。以有5條安裝槽的導熱盒作為實驗對象，分別采用3種不同方式安裝熱管：一種為手工敲入熱管（導熱盒1），一種為高密度連接器壓接機壓裝（導熱盒2），另外一種為精密伺服壓裝機壓入熱管（導熱盒3）。

完成安裝后，通過測量得到導熱盒1上的熱管突出盒體表面平均高度為0.05～0.1 mm，導熱盒2上的熱管突出盒體表面平均高度為0.4 mm，導熱盒3上的熱管突出盒體表面平均高度為0.1 mm;同時發現導熱盒兩側邊沿的熱管比中間部分的熱管突出高度多。調整下墊模模具位置，再次壓合發現兩側邊沿的熱管與中間部分的熱管突出高度差消失。

設計與導熱盒陰陽互補的支撐下模，以便給導熱盒提供均勻的支撐力，再次進行同種模塊導熱盒壓合驗證。支撐模具根據導熱盒內凸臺及下沉槽情況設計出CAD圖加工可得，設計中支撐模具的凸臺長寬尺寸應小于導熱盒內對應下沉槽尺寸，支撐模具的下沉槽長寬尺寸應大于導熱盒內對應下沉槽尺寸，支撐模具凸臺及下沉槽高度、深度應與導熱盒內凸臺及下沉槽高度、深度陰陽互補、互相匹配。支撐模具CAD設計示意圖如圖3所示。

使用能提供10 t壓力的精密伺服壓裝機和支撐模具配合進行壓合，導熱盒兩側邊沿的熱管與中間部分的熱管突出高度差現象不再出現，導熱管突出高度一致，尺寸為0.1 mm，符合要求。

通過試壓結果分析可以得到，在熱管較多的情況下，壓力不夠，會造成熱管突出表面高度過大，超過工藝要求，這會直接導致熱管與導熱盒接觸面積變小，導熱效率下降;下模如不能對導熱盒所有部位都起到支撐作用，會導致壓合后的熱管形成高度差，以致貼合不緊密。因此，在壓合時要選用壓力大的設備作為施壓工具，同時還要設計與導熱盒陰陽互補的支撐下模，才能保證壓合效果。

3? ? 工藝效果試驗分析

安裝熱管的根本目的是提高模塊散熱效率，檢驗工藝是否滿足要求，需要對熱管的散熱效果進行對比試驗。

將敲入熱管的導熱盒和壓裝熱管的導熱盒分別在反面安裝一個25 W的電阻作為熱源，模擬模塊正常工作情況下的散熱過程。將熱電偶一端用膠布貼在電阻附近，測量熱源附近的溫度。熱電偶安裝圖如圖4所示。

為了更接近實際情況，將導熱盒裝入6U標準機箱，蓋上前面板，用螺釘定位，導線接入電源，調整電壓，使電阻按額定功率25 W工作。試驗結果如表1、表2所示。

將兩組試驗數據擬合成曲線，如圖5所示。

由以上數據可以分析出，兩種安裝方式的熱管溫升曲線基本一致，且熱平衡溫度也基本一致，這說明采用壓裝機安裝的熱管與手工敲入的熱管熱性能相同，能滿足產品的散熱要求。

4? ? 結語

文章通過模塊導熱盒微熱管安裝工藝研究，找到了使用合適壓力的壓力機和陰陽互補的支撐模具配合的壓合方式，其散熱性能完全滿足散熱要求。使用該方法進行微熱管的鑲嵌壓合，不僅保障了微熱管鑲嵌壓合的質量，還大大提高了作業效率。

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收稿日期：2020-04-26

作者簡介：程虎（1986—），男，湖北武漢人，技師，研究方向：無線電裝接。

胡暢（1987—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，研究方向：機械制造。