高功率回路熱管散熱器熱設(shè)計的研究

楊帆

（深圳市三燁科技有限公司，廣東 深圳 518110）

0 引言

回路熱管是一種新型熱管，具有啟動迅速、均溫性好、傳熱性能高的優(yōu)點，在散熱領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。但在應(yīng)用回路熱管解決高功率芯片散熱問題的時候，面臨著制造成本高、加工工藝難度大的問題，因此，探索低成本回路熱管散熱模組是很有必要的[1]。本文基于單支回路熱管的制造和通過多支回路熱管組合應(yīng)用，達到解決高功率散熱模組的需求，同時降低了回路熱管的制作工藝難度，降低了散熱模組的制造成本，對高功率散熱模組的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有積極的現(xiàn)實意義[2]。

1 基本原理

先把單支回路熱管“蒸發(fā)管路”內(nèi)部燒結(jié)毛細層，然后與“蒸汽和回液管路、注液管”焊接在一起，通過“注液管”先對整個管路抽真空、再注入適量冷媒，成為獨立個體的回路熱管；然后再把四支回路熱管與散熱鰭片、鋁塊銅塊等熱沉器件焊接成一個整體，組成散熱模組；散熱模組安裝在應(yīng)用場景后，熱源產(chǎn)生的熱使毛細結(jié)構(gòu)內(nèi)的工質(zhì)發(fā)生相變產(chǎn)生蒸汽，在壓力差的驅(qū)動下，蒸汽沿管路到冷凝器端，釋放潛熱，冷卻成液態(tài)，重新回到蒸發(fā)端，如此復(fù)循環(huán)[3]。

2 散熱模組設(shè)計

2.1 設(shè)計指標

散熱模組最高功耗：600W

散熱性能：熱阻＜0.1℃/W@600W，150CFM，Ta=45℃

使用環(huán)境：-10～+55℃

內(nèi)部填充工質(zhì)為：R134a

2.2 模組結(jié)構(gòu)方案

采用四根獨立回路管路，每根回路熱管設(shè)計功率約150W，2組鰭片，1個鋁擠型材，1塊銅塊直接與熱源接觸，散熱器總功率約600W。

3 單支回路熱管制作

3.1 材料要求

燒結(jié)管材質(zhì)采用無氧銅C1020，管徑9mm，壁厚0.5mm。

3.2 毛細層設(shè)計

燒結(jié)管內(nèi)部粉層結(jié)構(gòu)設(shè)計采用錐形設(shè)計，采用一端為小孔，另一端為開口狀。其目的是讓管內(nèi)蒸汽朝設(shè)計的方向流動起來，防止管內(nèi)蒸汽往兩端同時等量擴散，在管內(nèi)形成蒸汽平衡，從而使管內(nèi)蒸汽堵塞，出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

3.3 銅管折彎要求

銅管折彎需要嚴格按照圖紙尺寸折彎成需要的形狀，折彎后需增加矯形工序，務(wù)必保證折彎關(guān)鍵尺寸，注意4根銅管極為相似。

3.4 回路熱管焊接

回路熱管采用高頻焊接方式，把燒結(jié)管、銅管和注液管三者焊接為整根回路熱管[4]。考慮到熱管注液前需要高溫還原，因此，焊接所使用的焊料為高溫焊料：15Ag，焊接溫度：約780℃～820℃。

3.5 注液口制備

通過高頻焊接的方式把注液針閥與回路熱管注液口進行焊接，形成注液專用通道，便于調(diào)節(jié)工質(zhì)加注量。焊料采用磷銅圈，焊接溫度630℃～670℃。高頻焊接頻率：40A。

3.6 回路熱管抽真空

對加工好注液口的回路熱管進行高溫還原，冷卻后對盡快進行抽真空，真空度要求為3E-4torr。

3.7 加注冷媒

通過注液口將冷媒R134a加注進完成了抽真空工序的回路熱管。由于冷媒R134a的沸點較低，熱管需在5℃冰水中進行注液；閥芯與閥帽需要擰緊，防止針閥微泄露。

4 散熱模組制作

通過設(shè)計制造專用的焊接工裝夾具，將鰭片（Fin）、回路熱管、散熱基板、熱沉零件用低溫釬焊工藝將它們有機地結(jié)合在一起形成一個完整的散熱模組產(chǎn)品（見圖1和圖2）[5]。

圖1 產(chǎn)品組成

圖2 散熱模組成品

5 實驗分析

5.1 注液量與熱阻關(guān)系

對單支回路熱管分別加注不同的四種注液量（7g，28g，38g，48g）然后分別進行測試，結(jié)果如圖3：

圖3注液量與熱阻關(guān)系圖

5.2 實驗分析

注液量較少時，在高功率下很難維持汽液快速循環(huán)，容易超負荷失效；注液量38g左右的性能較好，負載的功率較大，且隨著功率增加，熱阻呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。

注液量低于38g，最低點熱阻稍微有點增加，失效功率也隨之降低；注液量大于38g，整體熱阻較高。

6 散熱模組性能驗證

6.1 模擬芯片熱源

芯片熱源采用純銅塊鑲嵌發(fā)熱棒的方式模擬，銅塊尺寸為80×69mm。

6.2 測試樣品

測試樣品取用（38g注液量）制造的散熱模組。

6.3 測試方法

在風(fēng)洞中，根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)不同風(fēng)量，不同功率，進行熱阻測試。

測試結(jié)果固定加熱功率為600W時（見圖4），風(fēng)量越大，熱阻越小，且隨著風(fēng)量的增加，熱阻變化減緩；在150CFM時，熱阻約為0.081℃/W，滿足設(shè)計要求。固定風(fēng)洞風(fēng)量為150CFM時（見圖5），功率越大，熱阻越大，當(dāng)加熱功率達到600W時，熱阻為0.09℃/W，滿足設(shè)計要求。

圖4 熱阻與風(fēng)量關(guān)系圖

圖5 熱阻與功率關(guān)系圖

7 技術(shù)優(yōu)點

回路熱管散熱模組結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，可根據(jù)不同應(yīng)用場景及功率消耗要求，設(shè)計不同結(jié)構(gòu)、不同數(shù)量、不同管徑的回路熱管應(yīng)用于同一個散熱模組中，解決各種高功率芯片的散熱需求；回路熱管與其他組件是相對獨立的部件，單根回路熱管獨立制作，易于規(guī)?；?，大批量制造；單根回路熱管作為獨立個體，品質(zhì)更易于控制，確保性能合格的熱管才能流入下一個工序，減低成品的品質(zhì)風(fēng)險。單根回路熱管制造工藝容易實現(xiàn)，基本可與普通熱管制造設(shè)備共用，可節(jié)省前期設(shè)備投入成本[6]。

8 結(jié)語

通過實際案例制作，案例產(chǎn)品所采用的技術(shù)路線是合理的，采取的各項工藝滿足了最終產(chǎn)品的需求，過程中，試驗過幾組不同的參數(shù)，回路熱管燒結(jié)管部分采用燒結(jié)粉填充為錐型的結(jié)構(gòu)，另一端留有一小孔的方案，案例產(chǎn)品注液量38g為最佳，按此工藝制作的散熱器在風(fēng)量150CFM時，加熱功率為600W時，熱阻為0.081℃/W，達到設(shè)計要求。