铜粉烧结式热管自动填粉机设计及性能研究

发布时间：2020-06-13 09:52

【摘要】：基于气液相变原理散热的热管是解决目前电子设备散热问题的首选,而铜粉烧结式热管是应用最广泛的一类热管,其传热性能主要取决于内部的吸液芯结构,填粉工序是吸液芯制作过程中的关键一步。本文通过对铜粉烧结式热管的填粉工艺进行研究,以理论分析、模型建立和实验测试为指导,研发一种新型自动填粉设备,并以新的设备为实验平台研究振动参数对不同类型热管铜粉填充密度的影响规律,最后对设备核心零部件进行了优化。本文介绍了铜粉烧结式热管的填粉工艺及吸液芯结构的制造流程,采用扫描电子显微镜观测分析现有填粉工艺得到的吸液芯结构,得出了相对于陶瓷芯棒,使用喷涂氮化硼的310S芯棒填粉烧结后形成的吸液芯结构表面会附着大量的氮化硼,影响液态工质回流,同时现有工艺得到的吸液芯结构铜粉颗粒分布不均匀,出现小颗粒在下大颗粒在上的现象,影响吸液芯结构的毛细力。对于采用微振动力方式设计制造的铜粉填充振动系统,当振动电机位于四个同规格支撑弹簧的中心时,其可以简化为二自由度的振动模型进行相应的理论计算和分析,并利用三轴加速度传感器测试验证模型的准确性。采用伺服系统、电缸、PLC等技术,研发出了两工位新型自动填粉机,设计的粉杯更换模块和铜管中部定位套更换模块能够快速满足管径?5~?8mm、管长50~400mm的圆直管、单边管、双边管和复合管填粉要求,单台设备填粉效率可以达到1200根/小时以上,并且实现了铜粉精确定量、边填粉边加粉、铜管芯棒精确定位、粉杯从铜管上自动套入和取出的功能,提高了设备的自动化程度和铜粉填充质量,还减小了粉尘污染。利用研发的设备研究了振动参数对不同类型热管的铜粉填充密度影响规律并进行了温差和热阻性能对比分析,得出圆直管、单边管、双边管和复合管在激振力1000N、振动频率50Hz时填充的铜粉致密性最好,对应制造出来的热管性能也相对较好,在实际生产中,圆直管和复合管的最佳填粉时间在25~50s之间,单边管和双边管的最佳填粉时间在50~70s之间。然后对设备核心零部件进行优化,提高了设备的填粉质量和可靠性。
【图文】：

热管散热器,气液相变,电子设备

散热性能已严重影响微电子芯片的可靠性和稳定性，成为微电子技术发展的一个重要瓶颈[2-3]。研究资料表明，电子元器件的失效率随着其温度的上升呈指数增加，当温度超过电子元器件的额定工作温度时，其可靠性将会显著下降[4-5]。据统计，超过 55%的电子设备失效是由于散热不及时导致温度过高而引起的[6]。因此电子设备的散热问题已经成为当今国内外专家学者的研究重点。目前常见的散热方式有风冷散热、水冷散热、热电制冷散热、气液相变散热等，其中气液相变散热方式的传热系数可以达到 5000W （m2 ℃）-1以上，是其它方式的几十甚至上百倍[7-8]。由此可见，采用气液相变方式进行散热是目前解决电子设备热问题的重要方案。热管（heat pipe）是一种将工作液体（即工质）注入到具有毛细结构的近似真空腔内而形成的能够进行气液相变传热的管状传热装置，具有质量轻、导热率高、冷却能力强、等温性能好和寿命长等优点[9-10]。目前在电子设备中热管散热器已经得到了广泛应用。图 1-1 所示为两种常用的热管散热器。

热管传热,工作原理,热管

图 1-2 热管传热工作原理热管在灌注工质后，经过抽真空和除气并密封使其内部处于近似真空状态，毛结构设置在壁壳的四周，热管中间设置有空腔。热管两端分别被称为蒸发端（入端）和冷凝端（即热量输出端），当热管工作时，处于近似真空环境下具有的液态工质会迅速发生相变，形成的气态工质在两端微小压力差的驱动下，在速由蒸发端流向冷凝端，流到冷凝端的气态工质遇冷液化达到散热效果，，冷凝质进入吸液芯结构内并在毛细力的驱动下流向蒸发端，依次循环，不断的将热端传到冷凝端，实现快速散热。.2 热管性能特性热管内部的吸液芯结构主要有三个作用：1）提供冷凝端液体回流到蒸发端的提供内壁与液体/蒸气进行热传导的通道；3）提供产生毛细压力所必须的孔隙液芯结构在很大程度上决定了热管的传热性能[11]。其性能特征有如下几点：
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN605

【参考文献】