0引言

回路熱管是一種新型熱管,具有啟動迅速?均溫性好?傳熱性能高的優點,在散熱領域已得到廣泛應用?但在應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?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和產業化應用具有積極的現實意義?

1基本原理

先把單支回路熱管“蒸發管路”內部燒結毛細層,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;散熱模組安裝在應用場景后,熱源產生的熱使毛細結構內的工質發生相變產生蒸汽,在壓力差的驅動下,蒸汽沿管路到冷凝器端,釋放潛熱,冷卻成液態,重新回到蒸發端,如此復循環?

2散熱模組設計

2.1設計指標

散熱模組最高功耗:600W散熱性能:熱阻<0.1℃/W@600W,150CFM,Ta=45℃使用環境:-10~+55℃內部填充工質為:R134a

2.2模組結構方案

采用四根獨立回路管路,每根回路熱管設計功率約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

燒結管材質采用無氧銅C1020,管徑9mm,壁厚0.5mm?

3.2毛細層設計

燒結管內部粉層結構設計采用錐形設計,采用一端為小孔,另一端為開口狀?其目的是讓管內蒸汽朝設計的方向流動起來,防止管內蒸汽往兩端同時等量擴散,在管內形成蒸汽平衡,從而使管內蒸汽堵塞,出現失效現象?

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,務必保證折彎關鍵尺寸,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,把燒結管?銅管和注液管三者焊接為整根回路熱管?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,便于調節工質加注量?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合在一起形成一個完整的散熱模組產品(見圖1和圖2)?

5實驗分析

5.1注液量與熱阻關系

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,結果如圖3:

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,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

在風洞中,根據實際需要調節不同風量,不同功率,進行熱阻測試?

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

7技術優點

回路熱管散熱模組結構設計靈活,可根據不同應用場景及功率消耗要求,設計不同結構?不同數量?不同管徑的回路熱管應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,易于規模化,大批量制造;單根回路熱管作為獨立個體,品質更易于控制,確保性能合格的熱管才能流入下一個工序,減低成品的品質風險?單根回路熱管制造工藝容易實現,基本可與普通熱管制造設備共用,可節省前期設備投入成本?

8結語

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

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