超薄均热板制造工艺及其传热性能分析[黎子曦]

摘要：

随着各类电子元器件向微型化、高性能趋势发展，高热流密度带来的性能下降逐渐显现，高效的相变传热元件得到广泛应用。均热板作为一种针对二维平面散热的相变传热元件，正逐步应用在高性能电子元件上。为适应电子设备内部越来越有限的空间，需要开发厚度更薄且传热性能更好的超薄均热板。

本文设计了厚度为 2.5mm 的超薄均热板，对吸液芯结构进行优化，共设计了 2 种吸液芯结构的均热板：蒸发端吸液芯统一采用具有多干道三维形状的铜粉-丝网复合烧结结构，冷凝端吸液芯分别采用丝网烧结结构（CMVC）和泡沫铜烧结结构（CFVC）。对吸液芯结构进行孔隙率测量，并利用扫描电子显微镜（SEM）观测其微观形态。对超薄均热板制造工艺进行研究和优化，制定工艺路线，确定具体的工艺参数。

本文对吸液芯内部的流体运动进行分析，对吸液芯毛细性能进行量化计算,得到泡沫铜结构的毛细性能最佳；对均热板内部相变传热机理进行分析，建立超薄均热板热阻简化模型，计算热阻理论值，其中扩散热阻占总热阻约 90%，CMVC 和 CFVC 热阻计算值分别为 0.238K/W 和 0.239K/W。设计超薄均热板水冷式传热性能测试装置，并对装置的水冷模块进行传热能力校验及仿真。

对于 CMVC 和 CFVC，各制造 3 种充液率的样品，采用 2 种冷却水温对其进行测试，研究不同参数对均热板传热性能的影响。结果表明：高冷却水温有助于均热板传热性能的提高，包括提高均温性能、降低热阻和提高临界热流密度，但对于热源表面温度的降低有负面影响；对于 CFVC，充液率为 95%的样品性能最佳，临界热流密度超过180W/cm 2 ，热阻低至 0.152K/W；对于 CMVC，充液率为 105%的样品性能最佳，但与

充液率 90%的样品性能差异不大，临界热流密度为 90W/cm 2 ；CFVC 传热性能普遍优于CMVC。在低热流密度、自然对流条件下，利用红外热成像技术（IRTI）对均热板均温性能进行测试，此时均热板虽仍具备较优的均温性能，但整体温度升高，启动时间延长。

关键词：超薄均热板；吸液芯结构；制造工艺；充液率；传热性能

目 录

摘 摘 要 ........................................................................ I

ABSTRACT ................................................................. II

 

第一章 绪论 ................................................................ 1

1.1 引言 ....................................................................... 1

1.2 均热板的结构及基本原理 .................................. 2

1.3 均热板的国内外研究现状 .................................. 3

1.3.1 关于吸液芯结构的研究 .................................. 3

1.3.2 关于传热性能的研究 ...................................... 6

1.3.3 关于制造工艺的研究 ...................................... 7

1.4 研究目标和研究内容 ......................................... 8

1.4.1 选题来源 ....................................................... 8

1.4.2 研究目标 ................................................ 9

1.4.3 研究内容及方法 .................................... 9

1.5 本章小结 ........................................................ 10

 

第二章 超薄均热板吸液芯结构及制造工艺研究 .... 11

2.1 引言 ................................................................ 11

2.2 超薄均热板组成及选材 ................................ 11

2.3 吸液芯结构选型 ............................................ 13

2.4 吸液芯结构设计及观测 ................................ 15

2.4.1 复合吸液芯优化设计 .......................... 15

2.4.2 吸液芯结构孔隙率测量及计算 ............. 18

2.4.3 SEM 观测 .............................................. 24

2.5 超薄均热板制造工艺 .................................... 29

2.5.1 外壳板制造 .......................................... 29

2.5.2 外壳板清洗 .......................................... 30

2.5.3 吸液芯成型 .......................................... 30

2.5.4 支撑柱摆放 .......................................... 33

2.5.5 腔体扩散焊 .......................................... 33

2.5.6 充液管整形 .......................................... 34

2.5.7 充液管气体火焰钎焊 .......................... 35

2.5.8 工质灌注与抽真空 .............................. 35

2.5.9 二次除气 .............................................. 37

2.5.10 冷焊封口 TIG 焊接 ........................... 38

2.5.11 成品后处理 ........................................ 38

2.6 本章小结 ........................................................ 38

 

第三章 超薄均热板传热性能理论分析 ............ 40

3.1 引言 ................................................................ 40

3.2 吸液芯内部流体流动分析 ............................ 40

3.2.1 吸液芯结构毛细性能特征 ......................... 40

3.2.2 蒸气流动对吸液芯内部流动的影响 ........ 43

3.3 均热板内部相变传热机理 ............................ 44

3.3.1 蒸发/沸腾传热机理 ............................. 44

3.3.2 冷凝传热机理 ...................................... 48

3.4 超薄均热板热阻模型及计算 ........................ 49

3.4.1 厚度方向热阻 ...................................... 51

3.4.2 水平方向扩散热阻 .............................. 54

3.4.3 热阻计算 .............................................. 55

3.5 本章小结 .................................................... 56

 

第四章 超薄均热板水冷式传热性能测试系统 ... 57

4.1 引言 ................................................................ 57

4.2 超薄均热板水冷式传热性能测试装置 ...... 57

4.2.1 加热模块 .............................................. 58

4.2.2 水冷模块 .............................................. 59

4.2.3 控制及数据采集模块 .......................... 61

4.3 水冷模块传热能力校验 ................................ 63

4.4 本章小结 ........................................................ 67

 

第五章 超薄均热板传热性能实验研究 ........... 68

5.1 引言 ................................................................ 68

5.2 水冷式传热性能实验方法 ............................ 68

5.3 水冷式传热性能实验结果分析 .................... 70

5.3.1 冷却水温对均热板传热性能的影响 ........ 70

5.3.2 充液率对均热板传热性能的影响 ............. 76

5.3.3 吸液芯结构对均热板传热性能的影响 ..... 81

5.3.4 均热板工作温度动态曲线分析 .................. 83

5.4 红外热成像均温性能实验方法 ..................... 84

5.5 红外热成像实验结果分析 ............................. 86

5.6 本章小结 ........................................................ 87

 

结 结 论 ..................................................................... 89

参考文献 ............................................................... 91

攻读硕士学位期间取得的研究成果 .................. 99

致 致 谢 ................................................................... 102