微圆热管拉拔模具的设计与制造

邵阳学院毕业设计（论文）1 引言微电子产业是一个国家的基础性和战略性产业，其核心是高集成度芯片技术。随着电子科技的进步，许多电子产品不断地往高性能化、高功率化以及超薄、微型化发展。使得电子元件单位面积所产生的热量越来越高，而有效散热空间非常狭小而热流密度又非常高，导致芯片工作温度急剧增加，这将严重威胁到电子产品的安全与使用寿命。因此，对狭小空间内高热流密度电子设备的高效散热是亟需攻克的关键技术。目前，具有高导热率、良好等温性、快热响应、小尺寸而简单结构的微型热管已成为电子产品散热的理想导热元件。在过去数十年间，IC芯片一直遵循摩尔定律快速进步。然而，到2004年，这一规律由于芯片热控制问题而遭遇挑战。2004年，Intel发布了采用90nm线Prescott CPU，其耗电量在100W以上，3.06G功耗即达115W，Intel估计于2005年开始制造的65nm Tejas CPU发热量将达140W，甚至达到160W，热流密度达100W/cm2。如此高密度的热流如不及时散出去，将严重影响电子产品的性能和可靠性，甚至烧毁元器件，因此对芯片散热提出了极为严峻的挑战。2004年Intel所发表的技术瓶颈Technology WallThermal Wall说明，其CPU的发展暂时不再以提高操作频率为主而改以多功能整合方式取代1，就是因为散热问题无法解决。我国也在973计划2005年重要支持方向中设立了延长硅集成电路摩尔定律的重大专项。由此可见散热问题已从过去的次要因素而成为阻碍微电子技术进步的主要因素。2 国内外微型热管的应用现状与进展目前，国外微热管产品的核心技术(产品的设计和开发)只被美日少数企业所掌握。国内企业在微热管产品的关键技术上本身并不具备自行设计、研发及生产能力，只有少数几个台资企业为美日大企业进行代加工。由于美日企业量产成本及目标市场的策略考虑，台资企业近年才获得美日大企业的技术转移，通过消化这些技术并开始自主研发，才逐步拥有了微热管生产的一些关键技术。但国内其它企业对于高性能微热管技术的研究还处于起步阶段，没有自己的关键核心技术，离大规模化生产具有一定的差距。2.1 国外研究现状对于微热管研究，国外主要集中在管内蒸汽和液体流动的分析模型、数值模型以及微热管传热性能测试的研究。自1965年Cotter2提出热管的基本理论以来，其研究成果就逐渐成为热管研究基础，特别是Cotter31984年提出了微热管的完整概念，许多科研人员对微热管内部蒸汽和液体流动规律及传热机理进行探索和研究。实际上，微热管性能受多方面因素的综合影响，如微热管材料、工作液体物性参数和吸液芯结构等等，其中液体蒸发过程和蒸汽冷凝过程都离不开吸液芯结构，且冷凝端液体只有依靠吸液芯的毛细作用才能从冷凝端回流到蒸发端，吸液芯结构在微热管的工作循环起着极其重要的作用，因此直接影响到微热管的传热性能。许多研究人员对微热管的运行进行了理论和数值分析研究，但要获得整个微热管的运行分析解非常困难，因此建立了许多数值模型，其中一些复杂的数值模型既包括蒸汽流动也包括液体流动。Vafai和Wang4将液体流动、蒸汽流动、液汽流动耦合效应、非达西输运等结合起来，研究了对称平面形状（包括圆盘形状和扁平形状）微热管的广义三维分析模型。Zhu和Vafai5将液汽界面流动耦合和多孔吸液芯的非达西输运结合起来，建立了低温圆柱形微热管的二维分析模型，以预测蒸汽和液体的速度和压力分布。Valerie Sartre等提出了预测微热管阵列传热的三维稳态模型，建立了三个耦合模型：微区域的求解方程、二维壁的导热和纵向的毛细两相流。Yuwen Zhang等在微通道强迫对流冷凝条件下，使用VOF方法（流体体积法）数值模拟了水平微热管中和平行板之间由于冷凝引起的毛细阻塞现象。Z. Jon Zuo6建立了数值模型描述微热管蒸发器多孔吸液芯中液体和蒸汽流动，在各种热流条件下，对包括孔径分布、吸液芯渗透率和厚度的蒸发器设计参数进行计算，发现蒸汽体积率极度依赖孔径分布，这对确定蒸发器的热流极限是非常重要的。M. A. Hanlon和H. B. Ma7提出了一个二维模型预测烧结毛细结构的综合传热能力，模型考虑了吸液芯的热阻、毛细极限和最初核沸腾的情况，其数值解表明仅在吸液芯表面发生的薄膜蒸发在蒸发强化传热中起着重要的作用，其最大过热量是粒子半径、吸液芯孔隙率、吸液芯结构厚度和有效热阻的函数，并且对于最大传热量存在一个最优化厚度。Sung Jin Kim等研究了沟槽吸液芯微热管的传热传质数学模型，考虑了液-汽界面剪切应力、接触角和初始灌注量的影响，并从理论上求解了稳态条件下的最大传热率和总热阻。Xiao Ping Wu等建立了水平位置下圆柱形微热管蒸发段Le和冷凝段长度Lc之比的最优化模型和分析，对于微热管散热器常用的直径在46mm的微热管，计算分析结果表明最优长度比率为0.30.6，对于较大直径微热管则表明有较小的最优长度比率。R-Ha Ma和T.S. Sheu8通过理论方法分析和讨论了各种参数对三角形微沟槽（轴向湿润长度）毛细性能的影响，对三角形微沟槽建立了包括接触角影响在内的一维非线性微分方程和代数方程。R. H. Nilson等推导了深度一致和宽度沿轴向递减的敞开式矩形微通道中蒸汽流动的分析解，结果证明了锥形通道比矩形或三角形横截面直通道具有更好的冷却能力。从理论分析和数值模拟中可以发现，影响微热管最重要的因素还是吸液芯结构，因此如何改善吸液芯结构，以获得微热管的最优传热性能，科研人员做出了很多有益的研究开发工作。为避免吸液芯通道中液体出现过热而产生沸腾极限现象，Khrustalev和Faghri开发了一种倒弯月面型蒸发器扁平微热管，其中间部分是一个多孔板，蒸发段有横向的三角形槽和纵向的矩形槽，而绝热端和冷凝端无沟槽，实验结果证实了这种微热管的蒸发器壁能够承受高热流。Jinliang Wang和Ivan Catton9在沟槽表面覆盖有一层细孔结构来强化三角形沟槽的蒸发传热，这不仅仅提高了毛细压力，而且随着覆盖一层细孔结构的沟槽中液体弯月面的退缩，蒸发传热性能得到了极大地提高，通过与没有细孔结构的三角形沟槽的蒸发传热性能进行实验比较，其蒸发传热系数是后者的36倍。为减少汽液界面上的粘性剪切应力，Shung-Wen Kang等开发出一种具有三层结构、允许液体和蒸汽流动隔开的径向沟槽微热管，通过实验估计，微热管在70%的灌注率下的性能更好。Lanchao Lin等开发了一种高性能微热管以冷却高热流电子器件，其吸液芯结构是在折叠式铜片翅上利用电火花技术加工出具有完全或部分敞开式沟槽的毛细流动通道，在110的工作温度下，冷凝端传热系数提高到120%部分敞开式沟槽毛细结构比完全敞开式沟槽毛细结构的更高些，若在集中加热方式下，可达到高于140W/cm2的热流。另外，Man Lee等研究了一种集成微热管系统的设计和制造，其中包括加热器、热管阵列、温度和电容传感器； Yimin Xuan等为了强化蒸发过程，在微热管的加热表面上烧结了一层铜粉，结果表明加热表面的多孔烧结层能够强化蒸发过程和改善平板微热管性能。2.2 国内研究现状国内主要针对工业热管进行研究，而且主要是针对其性能进行研究，对微热管特别是其结构的研究文献报道较少。国内南京化工大学热管技术开发研究院和浙江大学等研究机构对平板热管进行了研究和试验，李菊香10的研究得出热管式均热平板在厚度方向上布置的圆孔通道，其孔径越小，孔间距越小，工作表面上的最大温差越小；蒋金柱、庄骏11设计了一种高导平板热管，采用加强筋增强平板的承压能力，并通过实验发现接触传热温差是传热温差的主要部分；牟其峥等针对矩形流动通道的平板热管进行了传热性能的试验研究，同时对其建立了数值模型，采用CFD软件进行了计算，发现蒸汽流动呈抛物线型分布，并随流速的增加，在汽液交界面处会出现蒸汽局部回流现象12。胡幼明针对一种新型平板热管进行了理论建模分析及金属丝网表面沸腾的实验研究；陆耶耶13对一种新型圆板热管特性进行了模拟及研究。3 微型热管的基本理论及技术发展前景3.1 微电子芯片热控制方法3.1.1 微型热管定义自1965年Cotter提出热管的概念以来，热管的结构经历了重力型、具有毛细芯的单根热管，到具有一簇平行独立微槽道的平板热管（微型热管阵列），进而发展到内部槽道簇之间通过蒸汽空间相互连通的微槽平板热管等结构形式的变化。而热管的尺寸也经历了从大到小的变化，特别是随着电子芯片发热量的增加以及散热空间的减小，要求的热管的尺寸也越来越小，以试图为各种小面积、高热流元件散热提供有效的手段。热管尺寸大小已经成为评价热管使用性能的一个重要指标，然而，根据热管的尺寸来区分热管的类别，到目前仍然没有一个权威的定义。相应于对尺寸很小的热管需求的不断增加和研究力度的不断加强，可对微型热管的定义却仍然很模糊。国外对微型热管的定义有两种：Cotter和Peterson14将之定义为热管的水利学半径rh大于或等于热管中工质的汽液界面的毛细半径rc,而Chen等则将微型热管定义为Bond数小于或等于2的热管。而国内文献15则认为，直径为3mm左右的热管即为微型热管，文献16则认为微型热管就是内径非常小的热管。为此，为叙述方便，考虑到大多数人可以接受的观点和实际的使用情况，从热管的制造角度考虑，特定义直径为3mm左右及以下的热管为微型热管。3.1.2 微型热管技术的应用概述针对日益严峻的微电子芯片热问题，开发出当前迫切需要的微电子芯片超高性能散热产品，是许多研究单位的研究热点。以前传统的光滑表面或简单结构表面已经不能适应目前的高热流密度散热需求，未来表面热功能结构更趋向于多维、多尺度特征方向发展。早在80年代佐治亚理工学院就已经注意到表面宏观结构和亚结构（叠加在宏观结构表面）在散热中的作用，并在此方面做了许多有益的工作。SONY公司CPU宏观散热结构发展变化过程也说明了这一点。华南理工大学在宏观结构表面的亚结构和微结构生成机理与关键技术方面也作了许多有益的工作，并研制出柱状散热器，使用效果很理想。应用于柱状宏观结构表面亚结构和微结构叠加关系。目前由美日少数大企业研制出来的微热管，特别是美国Thermacore公司已经成功研制并大规模生产的芯片高传热量烧结式微热管，其内壁也具有多维、多尺度复杂表面结构。由于微热管具有很高的导热率、良好的等温性、优良的热效应、结构简单、重量轻、无需额外电力驱动等优点17，并且其导热率是最优良导热纯金属的几百倍，甚至几千倍，内壁具有复杂表面结构的超高性能微热管将成为目前高耗能和高热流密度芯片导热的理想元件，是解决当前微电子行业热危机的关键。主要体现在余热回收、航天器、电机及其电器设备的冷却和电子元件及微型组件的散热等方面。第一，热管在余热回收方面的应用。20世纪70年代以来，虽然管壳式换热器在使用方面仍有优势，但是板式、板翅式、螺滚板式等新型热管换热器和空冷器发展很快。对于小温差的换热，现代紧凑式换热器单位体积的换热面积可达几千平方米。(1)热管换热器的结构决定了它是典型的逆流换热，而且热管本身的温降很小，近于等温运行，这就使得热管换热器的效率很高。(2)设备的传热性能是可逆的，即冷、热流体可以变换，这对空调系统的节能是十分有利的。(3)对于冷、热气流间温差很小(如仅十几度)的情况，也能实现一定的热回收。(4)热管换热器也适用于热气流被冷却到露点以下，即出现冷凝的情况，可用于溶剂的回收。第二，热管技术在航天器上的应用。热管特别适合于失重和低重力场合下使用，所以在航天器上温控技术中热管占有重要地位。我国发射的卫星使用了热管，取得了很好的效果。热管在航天器上的应用主要有以下两个方面：(1)在温度均匀化方面的应用。热管可使卫星各部件之间，甚至整个卫星结构的等温化成为可能，卫星结构的等温化对于整个温度控制系统将有很大的改善。仪器之间温度均匀化，可使仪器设备能在更适宜的温度下工作，结构的等温化，使受照面太阳能电池的温度降低，从而提高输出功率并延长寿命。减少因温差而引起的结构变形，对卫星上的大型光学系统特别重要。(2)在散热和温度控制方面的应用。由于热管具有变换热流密度的功能，因此人们利用可变热导热管和辐射散热表面结合组成热管辐射器，可以排散大功率行波管集电极的废热。热管也可以用来冷却高热流密度的组件。热管用于空间辐射器比泵式液体循环辐射器有几个突出的优点，如提高了系统的可靠性，减小了重量，而且能够进行温度调节。第三，用于电机及电器设备的冷却。(1)电机冷却。热管用于电机冷却可以分为两种形式：一种是装在电机定子和转子的发热部位，把热量导出到电机两端容易散热的部位，从而降低电机的温升，这种方法需要适当地改变电机的结构。另一种是滚转热管电机，这种电机的转子为空心轴，空心轴本身作成滚转热管，电机转子的热量通过滚转热管带到电机的一端散掉，同时定子绕组的温升也有所降低。两种形式热管的使用，在保持绕组绝缘和耐热要求的条件下，可以提高电机的功率。(2)其它电器设备的冷却。热管在冷却方面的应用主要有以下几方面：热管用于冷却大容量电力电容器；热管可用于冷却电力变压器，热管可从根本上提高变压器发热部分的换热系数，可以增加变压器的负荷而不超过允许的温度范围，而且也为变压器冷却采用无泵系统提供了可能性，这将大大提高变压器运行的可靠性；热管可用于冷却蓄电池，由于蓄电池充、放电时电解液中产生的热量不容易通过外壳散掉。这就大大限制了充、放电电流，特别是长时间充电。使用本身热阻很小的热管插入电解液中来冷却蓄电池，可以大大降低充、放电时电解液的温度；第四，热管用于电子元件及微型组件的散热。对电子元件或部件进行热控制是电子设备向前发展的重要问题，由于技术的进步，电器设备向大功率、紧凑化方向发展，所以单位体积产生的热量很大。与此同时，有效的散热面积却相应缩小。从而使散热问题更为突出。要设计一个有效的传热系统，其中一个重要因素是减小热源和冷源间的热阻。热管以其高传热性能和温度可控性使其能在电子器件的热控制方面发挥作用。由传热学原理可知，热量传递只有传导、对流和辐射三种手段，在绝大多数电子芯片热控制方法中不是单独使用一种，而是两种或三种的组合，而散热技术及其设计方法的基本原则是要利用这些手段设法改善发热芯片、散热器及冷却剂之间的热接触性能。随着制造技术的不断进步，新的散热技术和方法层出不穷。（1）自然对流冷却技术。自然对流冷却是最传统的冷却方法18，由于自然对流受周围环境条件如气流速度、环境温度、湿度等的影响，其驱动力容易受流动路径中的阻力影响，从而降低流体的流速和冷却速率。自然对流冷却能力一般不超过0.8W/cm2，因此，该冷却技术一般应用于热流密度不大、温升要求不高的冷却场合。（2）强迫空气对流冷却技术。与自然对流冷却相比，强迫空气对流冷却的换热量比自然对流和辐射要大很多，因此能够冷却具有较高元器件密度和更高热点温度的电子芯片。强迫空气冷却具有设备简单、成本低、电子元器件易于更换维修、易受环境影响等特点，多用于耗散生热量不大的电子设备。（3）空芯冷板冷却技术。在空芯冷板冷却方法中，电子元器件与冷却介质不直接接触，而是热量先经由冷板换热器再传给冷却介质，并最终由冷却介质传给外部环境，因此，该冷却方法属于间接冷却方法。空芯冷板冷却方法按照冷却介质的不同可分为气冷式冷板和液冷式冷板，但两种冷却方式的传热能力都有限，且受工作环境影响较大。（4）微通道冷却技术。微通道就是利用微细加工技术（LIGA，EDM等技术）在散热基板上制造出许多平行的微沟槽，再经键合封装形成封闭的渠道，两端以歧管接合，作为冷却液的出入口，其结构如图3.1所示。微通道冷却器散热效率高、体积小，能方便地利用IC工艺，如果被用于大规模生产，批量制作将大大降低单个成本，使这一技术更经济可行，易与推广。但由于其传热特性受到几何特征、几何条件、液体的流量与温差等多种因素的影响，人们对这一领域的研究尚无系统的理论，许多问题需要进一步研究。图3.1 微通道结构（5）热电致冷技术。热电致冷也称半导体制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科。热电致冷虽然具有结构简单、重量轻、无噪音、无磨损、无污染、可靠性高、制冷速度快、控制灵活等优点，但效率低、散热量小。热电致冷技术一般应用于温度范围为20常温、制冷功率小于10W的场合。（6）微喷射冷却技术。微喷射冷却包括微喷流冷却和微喷雾冷却。微喷流冷却是利用从微喷管喷出的高速冷却液来散热（如图3.2所示），因此，其散热性能与喷管的大小和数目有关。由于制作工艺的局限，微喷管直径只能小到一定程度，微喷管数目相应地也只能多到一定程度，因此，微喷射冷方式只有在冷却器的制造工艺取得突破后才能获得更大的利用。图3.2 微喷流冷却器（7）热管相变冷却技术。是利用内部工质的相变来实现电子器件的高效冷却技术。在一个密闭结构中装有若干工作液体，借助于液体的吸热蒸发、蒸汽的输送和放热冷凝，然后靠毛细作用或重力作用，使冷凝液从冷凝段返回到蒸发段，从而把热量从结构的一部分（蒸发段）高速传递到另一部分（冷凝段）。3.1.3 微型热管技术的发展趋势随着微电子产品不断地往高性能、高功率以及轻薄短小化发展，热管面临着如何进一步提高性能、减小体积以适应散热空间日益减小、热流密度不断提高的发展趋势的挑战。微型热管是解决这一难题的关键。微型热管制造是微型热管发展和应用的关键。微型热管的制造方法对于热管研究人员来说非常重要。对于热管的研究，研究者们已经把注意力的焦点放到了热管的制造、发展和性能测试上。几种关于把微型热管作为硅晶片或者镓砷晶片组成部分的制造方法早已经被提出。Thermacore公司开发的倒弯月型微热管热传量达200W/cm2；Mallik等制造了一种蒸汽沉淀微热管阵列，该装置作为半导体装置的一部分，通过减小热源与热枕之间的热路径，能有效地起到热辐射的作用。他们利用计算机模型模拟和沉淀截面模型优化金属覆盖面，成功地预测了真空镀膜微热管（VDMHP）的横向剖面轮廓。采用IC工艺制成的微槽道热管平面阵列，其冷却功率一般可达200W/cm2；Kang等提出了一种半沟槽式微热管，在这种热管中，上半部分的蒸汽层通过一薄层与下半部分的液体层分开。通过在不同输入功率条件下的三种不同充液速度的实验，他们能估算晶片的性能。Lee等提出了一种微热管集成系统的设计与制造方法，该系统包括发热器、热管阵列、温度和电容传感器。他们用蚀刻、在沟槽上用由晶片压焊形成的氮化物隔膜覆盖沟槽以及来回蚀刻技术来制造热管。Barre等则应用一种各向异性的化学蚀刻方法和直接的硅晶片压焊技术来制作微热管。文献19也介绍了采用化学刻蚀及焊接工艺制造的液汽腔相分离的铜基径向丝网式、沟槽式平板热管，并比较了二者的传热性能，认为沟槽式平板热管在制造方法及传热性能等方面均优于丝网型的；因制造工艺、成本等原因，到目前为止，用小型平板热管冷却微电子器件的研究报道较少，更未见有普及应用20。已有研究人员对几何尺寸及形状不同的铜水微小型热管进行过实验研究，认为大深宽比的槽道能使热管具有更好的传热性能；更多的尖角和微型缝隙能提供更好的毛细动力；带有三维翅结构的热管导热系数在相同测试条件下比光滑重力热管高12个数量级。Moon等通过拉削制造出一种具有多边形横向截面的小型热管。这种微热管具有平的或凹的侧面允许工作液体在微热管的锲边产生的毛细力作用下流动。这种微热管通过拉削或挤压能够很容易地制造出来，而且，这种热管能够通过简单的结构改造而获得强大的毛细力以提供优良的冷却效果。热管的热传导能力及热阻很大程度上取决于吸液芯结构。目前应用于微电子芯片散热的热管吸液芯有烧结式、沟槽式、铜纤维式和丝网式。烧结式吸液芯如图3.3所示，其最大的特点是毛细压力高。但该种热管弯曲后性能降低，要保持较高的毛细压力，毛细有效半径必须很小，液体渗透率就不会高，回流阻力大；为了减少回流阻力，就要增大吸液芯截面积，这样会增加径向热阻，而且导致热管直径较大。因此这种吸液芯适合于直径为610mm的热管及大型的工业热管，不适应于外径在35mm之间的微小型热管，更不适应于直径小于3mm以下的微型热管，否则不但液体回流阻力大，而且蒸汽通道太小，影响蒸汽流动，从而降低热流量，特别是其内部复杂的结构（烧结层）限制了其成为制造直径很小（如直径小于1mm）的微型热管的可能。铜纤维式和丝网式也存在着类似的问题。沟槽式微热管无吸液芯，弯曲后性能无变化，稳定可靠；有较大的蒸汽流动通道；液体回流阻力远远低于烧结式吸液芯。而且，沟槽式铜基热管的吸液芯结构是在管内壁直接加工成形，其特点是重量轻，符合电子器件轻量化的发展趋势，不存在接触热阻，热响应快，尤其不存在烧结式吸液芯毛细压力提高同时液体回流阻力增大的矛盾。美国的Thermacore、Noren和日本的Furukawa、Fujikura以及Hitachi等公司正相继针对微电子行业开发外径3mm.6mm的光滑壁面梯形槽沟槽式圆热管，他们已开发出的直径6mm沟槽式小型热管一般为55沟槽、槽深约为0.2mm；华南理工大学现在制造技术研究所也通过高速充液旋压成形的方法开发出了直径为6mm的沟槽式小型热管，其热管沟槽数为6080、槽深约为0.2mm。 图3.3 烧结式小型热管吸液芯结构总之，尽管铜基小型热管在市场上已有较广泛应用，但由于国际企业竞争和商业技术保密等原因，适合光电芯片散热的微小型热管大规模低成本化加工技术与机理研究的报道极少。当前微小型热管的研究和应用还面临多方面困难：如微小型热管内部结构需要进一步优化；加工制造过程中对微热管的尺寸、形状、工质的充装量等的精确控制还面临很大的困难；一些微细结构的加工费用比较昂贵等。目前，国内外开发的沟槽式小型圆热管的内部沟槽大多采用铜管高速旋压成形。旋压拉伸法制作的异型铜管用作手提计算机CPU散热的热管，管材外径3毫米6毫米，管内均匀分布4055条沟槽，沟槽深，尺寸精度高，具有良好的导热性能，并且由于管壳与吸液芯是一个整体，热管的刚性好，且工艺较简化，生产率较高。但是，其内壁微沟槽表面光滑，对性能影响极大的毛细压力不够、难以支持较高的回流量，尤其是冷凝端低于蒸发端放置时也会严重影响到热管性能，同时，小型热管的外表面质量较差，而且，设备也限制了小型热管外径尺寸变化的灵活性，因此限制了沟槽式小型圆热管的广泛使用，特别是因为加工中多齿芯头的存在，这种方法同样不能加工直径很小的微热管。也有的小型热管沟槽是在管内壁直接加工成形，表面光滑，毛细压力同样不够，虽然热管的外表面质量没有因为加工而得到破坏，但其外径尺寸也不易改变，其应用同样受到了限制，而且，同样由于加工刀具存在的原因，它也不能加工直径很小的微热管。总之，随着电子产品以及其它产品散热要求越来越高和电子制造等技术的进一步发展，传热能力大、体积更小、重量更轻和结构灵活的沟槽式超高性能薄壁微型热管将是国际上未来数年电子散热技术以及其它领域的散热技术的发展方向。因此，超高性能薄壁微型热管技术的研究开发，不仅成为当前电子领域中芯片散热等迫切需要解决的重要课题，而且对于促进微电子产业以及其它相关产业的发展和结构升级，提高产品的竞争力和附加值，都具有重要意义。3.2 热管的分类组成及工作过程3.2.1 热管的分类由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法21有以下几种。 （1）按热管的运行温度分类 低温热管 低温热管是指工作温度在4200K范围内的热管。用氦做工质，可以在4K以下温度工作。氢和氖可以在2030K范围内使用。温度再高一些，可用的工质有氮和氧。在100200K范围内常用的工质有甲烷、乙烷等。低温工质的特点是传输系数均很小，毛细升高系数也很小。他们与一般的工程材料均能相容，但用氢作工质时需注意氢脆的问题。 中温热管 中温热管是指工作温度在200700K范围内的热管。这是目前使用最广的一类热管。在此温度范围内，水的热性能最好，能在350500K温度下使用，缺点是与钢、铝等常用工程材料不相容，只能与铜长期相容，而且其凝固点高，因此限制了它的使用。在500700K范围内合适的工质并不多，目前常用的是导热姆、联苯等。这一温区对于热能回收、化工过程有很大意义，但寻找合适的工质仍然是一个重要课题。 高温热管 高温热管是指工作在700K以上的热管。用银作工质最高温度能达3000K。高温热管的工质均是液态金属。汞可在500K900K内使用，并具有良好的热力性能。汞在常温下是液态，所以比其他金属易充装，但汞有毒又不能很好的湿润吸液芯，所以没有得到广泛的应用。高温热管的传热能力比中温热管大的多，径向热阻比中温热管小的多，所能达到的最大径向热流密度也要高的多。 （2）按工作介质的组成分类按介质组成可分为：介质化学成分均一的但组分热管；介质为两种以上物质的混合物的多组分热管；以及管内除工质外同时还含有一定数量不凝结气体的充气热管。 （3）按外部结构分类从外部形态看，热管有很多式样，不同的形式是为了满足不同的需要。外部形式的多变性灵活性是热管得到广泛应用的一个重要原因。目前，在实际应用中出现的比较多的有以下几种：圆柱形；圆形；星形；长挠性形；传热面积随着螺旋松开而改变的挠性螺线管形；蒸汽室形；平板形；分离式热管。 （4）按凝液回流方式分类常见的是重力热虹吸管和靠毛细力工作的吸液芯热管，此外，还有应用在特殊场合下的离心力旋转式热管、静电力点流体动力热管、磁力磁流体动力热管、渗透力渗透式热管等。3.2.2 圆热管的组成 圆热管是一种传热性极好的人工构件，常用的圆热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管（管壳），内部空腔内有少量工作介质（工作液）和毛细结构（管芯），管内的空气及其他杂物必须排除在外。从传热状况看，圆热管沿轴向可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分如图3.4所示。图3.4 圆热管示意图1管壳；2管芯；3蒸汽腔；4工作液 圆热管工作时利用了三种物理学原理： （1）在真空状态下，液体的沸点降低； （2）同种物质的汽化潜热比显热高的多； （3）多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。3.2.3 圆热管的工作过程的分析 典型的圆热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3(10负110负4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当圆热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不断，热量由圆热管的一端传至另端。圆热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程： （1）热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到分界面； （2）液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发； （3）蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； （4）蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结； （5）热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源； （6）在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。3.2.4 常用热管的规格表3.1 常用热管规格热管规格如下： 直径 mm 长度 mm 备注 3 90-280 圆热管 烧结 / 铜网 4 90-280 圆热管 烧结 / 铜网 5 90-300 圆热管 烧结 / 铜网 6 90-350 圆热管 烧结 / 铜网 8 100-400圆热管 烧结 / 铜网 10 200-800 圆热管 底座 铜网 25.4 100-150 圆热管 底座 烧结 / 铜网 T=3 90-280 压扁 烧结 / 铜网 T=4 90-280 压扁 烧结 / 铜网 T=5 90-300 压扁 烧结 / 铜网 热管折弯限制 表3.2 折弯规格折 弯 规 格 管径（mm） 最小折弯 R （mm） 建议 R （mm） 最小折弯角 建议弯角 3 9 12 90 120 4 12 16 5 15 20 6 18 24 8 24 32 9 27 36 9.35 28 37 3.3 热管的工作原理及工作特点热管由三个基本部分组成：一是两端密封的容器（管壳），多数做成圆管状；二是由多孔材料（金属网、金属纤维等）构成的吸液芯，覆盖在器壁的内表面；三是容器内充满一定数量的液体工作液体（工质）及其蒸气。将管内抽成一定的负压后再充以适量的工作液体，使管内壁的毛细吸液芯充满液体后加以密封。管壁的一端为蒸发段（加热），另一端为冷凝段（冷却），根据需要可在中间设置绝热段。当热管的一端受热时毛细吸液芯中的液体蒸发，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再由吸液芯的毛细力作用流回蒸发段，完成一个循环。如此循环不停，热量由热管的一端传至另一端，放给冷源。由此可见，当热管正常工作时，其内部进行着工质液体的蒸发、蒸汽的流动、蒸汽的凝结和凝结液的回流等四个工作过程，这四个过程构成了热管工作的闭合循环。热管的基本工作原理表明，热管内部的整个过程没有涉及任何机械运动部件，是在没有外部动力的情况下完成的，同时热管的导热是借助于饱和工质的汽化与凝结换热而实现的，这是一种相变换热即潜热交换过程，不仅传热强度很大，而且转传热量也可以很大。所以，热管的传热与一般固体以显著改变的方式传热有着质的不同，后者是通过自由电子的运动、分子的热运动而传递热量的，在数量上热管可以比一般固体导热大几个数量级，热管的导热能力不是一般导热器件或材料所能比拟的。通过分析可知，热管除了具有导热性能好、传热量大的特点外，还具有理想的等温性、热流密度的可调性以及传热方向的可逆性等特点，同时，它能适应各种类型的热源、能满足单向传热的环境要求即具有“热二极管”的作用、能设计成具有热开关等特性，此外还具有构造简单、重量轻、使用寿命长、故障率低等特点。综上所述，随着芯片功耗急剧增加，普通风冷散热器已接近强制对流换热能力的极限。影响风冷散热器效率的提高有两个因素。一是存在较大的扩散热阻，即由于CPU（热源）面积小于热沉而导致局部温度过高，热源大小与热沉温度分布关系示意图如图3.5所示22。二是芯片至空气的平均热阻较大，如IBM4381多芯片组件采用的冲击空气图3.5 热源大小对于热沉温度分布关系示意图冷却方案，芯片至空气的平均热阻为17/W。如何降低这两个方面的热阻成为进一步提高散热效率的关键。采用热管可以解决这两个方面的问题。热管是一种高效率利用相变传热的热传导器，其热阻可以达到0.001/W。Fujikura公司开发出的一种称为“仙人掌”式热管，芯片至空气的平均热阻仅为0.5/W；如热管蒸发段的平板面积与CPU面积一致，则可大幅降低扩散热阻。可见，热管散热器的效率比普通风冷散热器的效率可以提高几十倍。而且，在狭小空间内需要远距离输运热量以便散热的场合如笔记本电脑，必须使用热管。因此，热管技术必将成为未来微电子芯片及其系统散热的主流。热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性：（1）很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。（2）优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。（3）热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。（4）热流方向的可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。（5）热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。（6）恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。（7）环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。4 微圆热管拉拔概述4.1 热管拉拔的定义到目前为止，虽然没有任何热管拉拔的报道，但管材的拉拔研究与实践特别是铜管材的拉拔研究与实践为热管实现尺寸变化即制造微型热管提供了一定的研究基础。所谓管材拉拔（拉伸）23，就是指管材在外加拉力的作用下通过模孔产生横断面形状和尺寸变化的塑性加工过程。管材拉拔的基本方法有空拔、固定芯头拉拔、长芯杆拉拔、游动芯头拉拔和扩径拉拔等。其中的空拔是指拉拔时管内不放置芯头，管材通过模孔后其外径将减小，壁厚会自由变化。而且，由于铜具有高塑性，可以承受99%以上加工率的冷加工，可以不需要中间退火。当然，微热管拉拔不同于一般的管材拉拔。通过拉拔工艺，它不仅要保证热管外径尺寸、壁厚变化、外表面质量和材料组织及性能的要求，而且要保证微热管的内部形状及微细结构的要求。但是，管材拉拔的主要作用即改变管材的外径和内径尺寸恰恰是微热管加工的尺寸方面的基本要求。4.2 管材拉拔壁厚变化机理分析图4.1 空拔管变形区应力图如图4.1所示，空拔时管材在拉拔力的作用下由于模具的约束作用将产生一定的变形，即管材的轴向尺寸增大和径向尺寸的减小，也就是说产生变形区内的金属将受到三个方向应力的作用，其中轴向应力L为拉应力，径向应力r和周向应力t为压应力。与之相对应，金属变形也是三维的，即轴向变形L、周向变形t和径向变形r，其中轴向变形L的值为正，周向变形t的值为负，二者可由拉拔后管材伸长和管径减小知道。但径向变形r的符号和大小却受各种因素的影响，可能是正，是零，或者是负。当r为正时管壁增厚，r为零时壁厚不变，r为负时管壁减薄。根据塑性力学，径向变形量为： （4.1）D塑性模数由上式推出：当时，r0，则管壁减薄；当时，r0，则管壁不变；当时，r0，则管壁增厚；所以只要是影响r、t和L的大小和她们三者之间相互关系的因素都会影响拉拔时壁厚的变化。其中管材的几何尺寸S/D值是一个主要的影响因素。根据作用在单位环上力的平衡条件（图4.2所示），r和t有如下关系： 或 （4.2）图4.2 空拔管单位环受力图因为2S/D小于1，r和t又都是压应力，其值带负号，所以就绝对值而言，r始终小于t。随着管材S/D值的增加，r/t值也增加，当满足条件时，空拔后管壁将减薄。相反，S/D值较小时，空拔后管材容易出现增壁现象。因此，S/D值必然存在一个临界值（S/D）临。大于这个临界值时，管壁减薄；等于这个临界值时，壁厚不变；小于这个临界值时，管壁增厚。许多研究都一致认为，在不同的道次加工率的情况下，这个临界值有个范围，一般在0.160.21之间。4.3 拉拔加工原理微型热管拉拔原理如图4.3所示。工作时，将拉拔模具安装在固定机架上，先通过图4.3 热管拉拔成形原理手工方法将已经犁削出的热管一端的直径减小使其直径小于拉拔模具的小端直径，再将其从拉拔模具大端处向小端处穿过拉拔模具，由牵引装置夹紧并带动热管小端运动，当热管从拉拔模具的大端穿过拉拔模具的小端后，在拉拔模具的冷挤压作用下就会形成尺寸基本上等于拉拔模具小端直径的较小的热管。拉拔模具内腔由导向孔、工作锥和定径孔三部分组成，如图4.3所示。导向孔的直径尺寸应与拉拔材料（犁削成形的热管）的外径尺寸一致，两者的配合应为间隙配合，导向孔的作用主要是起导向作用即保证加工过程中牵引力与的方向与热管同心。工作锥部分有直线锥（即母线为直线）和弧形锥（即母线为弧线）两种，可根据要求选择，工作锥的作用就是对热管进行冷挤压而使热管变形、使尺寸变小。定径锥的尺寸根据加工要求而定，既要保证材料的小端部分能顺利通过，又要与大端直径尺寸配合以保证热管壁厚不至于增大，其作用主要是保证成品的直径尺寸。图4.4 拉拔模具结构图拉拔成形的初始阶段，工件材料由模具导向部分进入模具内部，当工件前端部分逐渐进入模具工作锥内表面时，由于工作锥部分的直径逐步减小，模具的工作锥部分内表面对其前面金属产生挤压应力，使金属发生塑性变形并向内和前后方向流动，随着牵引夹紧装置的进一步运动，模具的工作锥部分完全参与挤压过程，直到锥度结束，从而形成外径等于模具定径尺寸的微小型热管，如图4.5所示为旋压热管（6mm）经过三次拉拔后形成的外径2.6mm、齿数为12的热管。图4.5 经过三次拉拔后的热管SEM图4.4 微型沟槽式圆热管拉拔成形在拉拔过程中，我们不能用一般的金属切削加工理论来分析材料的拉拔变形，而只能用材料的塑性变形理论来分析其成形机理。如图4.4所示，在管材金属进入模具的导向锥之前，由于后段材料悬空，没有力的作用，这部分的金属是没有什么变形的；当进入拉拔区后，在模具作用力的轴向分力和轴向拉拔力的作用下，金属材料就会向轴向流动，同时，在模具作用力的径向分力作用下，金属同时会向径向流动，这样就会引起材料轴向尺寸的增加和径向尺寸的减小。从图4.1可知，轴向应力为拉应力，径向和周向应力和均为压应力。同一横断面径向应力的值在管材与模孔接触处最大，沿管壁逐渐减小，至内壁时为零。公式4.1表明，径向应力的绝对值总是小于周向应力的绝对值，管材越薄，两者的差值越大。在管材的同一断面上，从外表面到内表面，与差值也逐渐加大。与之间的关系遵循Von Mises屈服条件，或以其简化形式表示则为： （4.3）式中 考虑中间主应力影响的系数，材料单向拉伸时的屈服应力。相应的，在各应力的作用下，管材产生纵向延伸应变和周向压缩应变，至于径向应变的符号，则取决于轴向应力与周向应力之比。轴向拉应力产生伸长变形，使管材壁厚减薄。而周向压应力使金属向阻力最小的方向流动，管材壁厚增加。如果由拉应力引起的减薄量大于由压应力引起的增厚量，则管材壁厚变薄，反之增厚。拉应力与压应力之比取决于拉伸过程的参数和管材的几何形状。图4.6为某热管经过拉拔后的截面尺寸变化图。 (a) (b) (c)图4.6 微热管拉拔截面尺寸变化图图4.6(a)为旋压后的原始热管，12齿，外径为6mm，其余尺寸可从图上看出或算出；图4.6(b)为经过一次拉拔后形成的热管，其外径尺寸为3.5mm，(图中所测量的齿厚尺寸明显错误，通过简单的计算可知实际为344.7m；图4.6(c)为经过第二次拉拔后形成的热管，其外径尺寸为2.6mm。根据上图测量得到的尺寸，再考虑到由于存在明显的测量误差（如图图4.6(b)中的齿厚与齿高尺寸），在进行计算调整后各部分的尺寸如表4.1所示。可算得各尺寸的变化率如表4.2所示。 表4.1 拉拔热管结构尺寸 单位：m热管直径齿槽宽度内齿厚度壁厚尺寸内齿高度69724104801683.53913453401582.6239292300150表4.2 拉拔热管结构尺寸变化率（%）拉拔道次齿槽宽度内齿厚度壁厚尺寸内齿高度140.2384.0770.8394.05261.1384.7588.0394.93从表4.2可看出，当热管直径在拉拔后尺寸变小时，在壁厚尺寸变小的前提下，热管截面的各部分尺寸都逐步变小，但各部分的变化幅度并不一致。齿槽宽度与内齿厚度在所有的拉拔过程中都会变小，但变化幅度不同，其中，热管的齿槽宽度减小的幅度大而齿厚减小的幅度则小很多。其原因是：在拉拔过程中，热管横截面受到周向压应力的作用，在周向压应力的作用下就会产生周向压缩变形，因此，各部分的尺寸都会减小，但是，齿槽与内齿在热管中所处的径向位置不同，齿槽处在半径值较大的地方，而内齿则处在半径值较小的地方，在半径值较大的地方所受到的周向压应力较大，而在半径值较小的地方所受到的所受到的周向压应力较小，因此，齿槽尺寸在热管拉拔的时候其减小值就较大，相反，齿厚的减小值则较小，而且，越接近齿顶，其减小值越小。为此，在设计犁削刀具即在犁削热管的时候，为保证拉拔后的热管具有均匀的齿槽结构和获得矩形内齿，必须保证犁削出来的齿槽宽度大于齿厚尺寸，同时要保证犁削出来的热管内齿形状为梯形，以便在经过拉拔变形后能获得理想的微热管内部结构。热管壁厚尺寸和内齿高度尺寸都减小，说明在这两道次的热管拉拔中热管所受到的拉应力超过了周向压应力