程虎 胡暢

摘要：隨著模塊集成度越來(lái)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(chǎn)品穩(wěn)定性和運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短的重要因素。在導(dǎo)熱盒設(shè)計(jì)中，微熱管散熱應(yīng)用廣泛，微熱管的安裝方式直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，現(xiàn)通過(guò)模塊導(dǎo)熱盒微熱管安裝工藝研究，找到了壓力機(jī)和陰陽(yáng)互補(bǔ)的支撐模具配合使用的壓合方式，滿足了生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：模塊導(dǎo)熱盒;微熱管;安裝工藝

0? ? 引言

隨著模塊集成度越來(lái)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(dǎo)致器件性能隨之降低[1-2]，散熱成了決定產(chǎn)品穩(wěn)定性和運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短的重要因素。微熱管的導(dǎo)熱系數(shù)高于常見金屬2～3個(gè)量級(jí)[3-5]，因此微熱管散熱技術(shù)應(yīng)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(tǒng)的作業(yè)方式為用錘子手工將熱管敲入導(dǎo)熱盒的凹槽中。這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)的工人需要大量時(shí)間才能完成一根熱管的安裝，而且可能敲廢熱管，造成浪費(fèi)。同時(shí)，在敲擊過(guò)程中會(huì)造成導(dǎo)熱盒表面有輕微凹陷的損傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成導(dǎo)熱盒報(bào)廢。敲擊時(shí)的噪聲也會(huì)對(duì)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(wú)法保證，因此敲出來(lái)的熱管在外觀上有好有壞。為了提高質(zhì)量及效率，急需對(duì)現(xiàn)有的安裝工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1? ? 工藝原理分析

對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行解構(gòu)分析，得到的力學(xué)過(guò)程可以簡(jiǎn)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(gè)較大的壓強(qiáng)，熱管受力后向凹槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)并且發(fā)生形變，熱管外殼與凹槽表面緊密接觸，保證了熱量在結(jié)構(gòu)件與熱管間的傳遞，同時(shí)兩者間的摩擦力也保證了熱管的安裝強(qiáng)度，如圖1所示。

將這一瞬態(tài)過(guò)程放慢，可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)漸變的壓入過(guò)程，壓入過(guò)程可以類比于機(jī)械加工中的沖壓和折彎工藝。用壓力機(jī)的壓頭替代垂頭，并施加合適的壓力曲線，理論上可以實(shí)現(xiàn)與錘子敲擊熱管一樣的結(jié)果。相比用錘子敲擊，受壓下的熱管和結(jié)構(gòu)件的表面受到的沖擊小，損傷就會(huì)減小，同時(shí)也消除了噪聲。壓力機(jī)施壓過(guò)程如圖2所示。

2? ? 安裝工藝的研究過(guò)程

首先考慮簡(jiǎn)單情況下的熱管壓裝，即只需要安裝兩根熱管情況下的實(shí)際效果。以能提供5 t壓力的高密度連接器壓接機(jī)和能提供10 t壓力的精密伺服壓裝機(jī)作為對(duì)微熱管施加壓力的設(shè)備，以若干個(gè)方塊作為導(dǎo)熱盒的下墊模，用于工藝試驗(yàn)。

使用2根熱管的導(dǎo)熱盒通過(guò)壓力設(shè)備壓裝，測(cè)量結(jié)果是熱管相對(duì)于表面高度超差0.1 mm，滿足工藝要求。

接下來(lái)考慮復(fù)雜情況下的熱管壓裝，即需要安裝5根熱管情況下的實(shí)際效果。以有5條安裝槽的導(dǎo)熱盒作為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(dǎo)熱盒1），一種為高密度連接器壓接機(jī)壓裝（導(dǎo)熱盒2），另外一種為精密伺服壓裝機(jī)壓入熱管（導(dǎo)熱盒3）。

完成安裝后，通過(guò)測(cè)量得到導(dǎo)熱盒1上的熱管突出盒體表面平均高度為0.05～0.1 mm，導(dǎo)熱盒2上的熱管突出盒體表面平均高度為0.4 mm，導(dǎo)熱盒3上的熱管突出盒體表面平均高度為0.1 mm;同時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱盒兩側(cè)邊沿的熱管比中間部分的熱管突出高度多。調(diào)整下墊模模具位置，再次壓合發(fā)現(xiàn)兩側(cè)邊沿的熱管與中間部分的熱管突出高度差消失。

設(shè)計(jì)與導(dǎo)熱盒陰陽(yáng)互補(bǔ)的支撐下模，以便給導(dǎo)熱盒提供均勻的支撐力，再次進(jìn)行同種模塊導(dǎo)熱盒壓合驗(yàn)證。支撐模具根據(jù)導(dǎo)熱盒內(nèi)凸臺(tái)及下沉槽情況設(shè)計(jì)出CAD圖加工可得，設(shè)計(jì)中支撐模具的凸臺(tái)長(zhǎng)寬尺寸應(yīng)小于導(dǎo)熱盒內(nèi)對(duì)應(yīng)下沉槽尺寸，支撐模具的下沉槽長(zhǎng)寬尺寸應(yīng)大于導(dǎo)熱盒內(nèi)對(duì)應(yīng)下沉槽尺寸，支撐模具凸臺(tái)及下沉槽高度、深度應(yīng)與導(dǎo)熱盒內(nèi)凸臺(tái)及下沉槽高度、深度陰陽(yáng)互補(bǔ)、互相匹配。支撐模具CAD設(shè)計(jì)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(jī)和支撐模具配合進(jìn)行壓合，導(dǎo)熱盒兩側(cè)邊沿的熱管與中間部分的熱管突出高度差現(xiàn)象不再出現(xiàn)，導(dǎo)熱管突出高度一致，尺寸為0.1 mm，符合要求。

通過(guò)試壓結(jié)果分析可以得到，在熱管較多的情況下，壓力不夠，會(huì)造成熱管突出表面高度過(guò)大，超過(guò)工藝要求，這會(huì)直接導(dǎo)致熱管與導(dǎo)熱盒接觸面積變小，導(dǎo)熱效率下降;下模如不能對(duì)導(dǎo)熱盒所有部位都起到支撐作用，會(huì)導(dǎo)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(shí)要選用壓力大的設(shè)備作為施壓工具，同時(shí)還要設(shè)計(jì)與導(dǎo)熱盒陰陽(yáng)互補(bǔ)的支撐下模，才能保證壓合效果。

3? ? 工藝效果試驗(yàn)分析

安裝熱管的根本目的是提高模塊散熱效率，檢驗(yàn)工藝是否滿足要求，需要對(duì)熱管的散熱效果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

將敲入熱管的導(dǎo)熱盒和壓裝熱管的導(dǎo)熱盒分別在反面安裝一個(gè)25 W的電阻作為熱源，模擬模塊正常工作情況下的散熱過(guò)程。將熱電偶一端用膠布貼在電阻附近，測(cè)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(shí)際情況，將導(dǎo)熱盒裝入6U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，蓋上前面板，用螺釘定位，導(dǎo)線接入電源，調(diào)整電壓，使電阻按額定功率25 W工作。試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

將兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成曲線，如圖5所示。

由以上數(shù)據(jù)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(shuō)明采用壓裝機(jī)安裝的熱管與手工敲入的熱管熱性能相同，能滿足產(chǎn)品的散熱要求。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)模塊導(dǎo)熱盒微熱管安裝工藝研究，找到了使用合適壓力的壓力機(jī)和陰陽(yáng)互補(bǔ)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(jìn)行微熱管的鑲嵌壓合，不僅保障了微熱管鑲嵌壓合的質(zhì)量，還大大提高了作業(yè)效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1] NIKOLAYEV V S.Effect of tube heat conduction on the single branch pulsating heat pipe start-up[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2016（95）：477-487.

[2] LI X B，LI M J，LI M，et al.For-ming method of micro heat pipe with compound structure of sintered wick on grooved subs-trate[J].Heat and Mass Transfer，2016，52（3）：581-593.

[3] 余莉，韓玉，曹業(yè)玲，等.電子設(shè)備散熱用平板式熱管的實(shí)驗(yàn)研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40（5）：627-631.

[4] WANG Y W，ZHANG J X，CEN J W，et al.A feasibility study about using Si O2nanofluid screen mesh wick heat pipe for cooling of high-power LEDs[J].Heat transfer engineering，2016（379）：741-750.

[5] 王相蓉，羅怡，王曉東，等.微熱管高精度測(cè)試系統(tǒng)的熱源控制與溫度采集[J].儀表技術(shù)與傳感器，2020（1）：70-74.

收稿日期：2020-04-26

作者簡(jiǎn)介：程虎（1986—），男，湖北武漢人，技師，研究方向：無(wú)線電裝接。

胡暢（1987—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)械制造。