高功率回路热管散热器热设计的研究

杨帆

（深圳市三烨科技有限公司，广东 深圳 518110）

0 引言

回路热管是一种新型热管，具有启动迅速、均温性好、传热性能高的优点，在散热领域已得到广泛应用。但在应用回路热管解决高功率芯片散热问题的时候，面临着制造成本高、加工工艺难度大的问题，因此，探索低成本回路热管散热模组是很有必要的[1]。本文基于单支回路热管的制造和通过多支回路热管组合应用，达到解决高功率散热模组的需求，同时降低了回路热管的制作工艺难度，降低了散热模组的制造成本，对高功率散热模组的研发和产业化应用具有积极的现实意义[2]。

1 基本原理

先把单支回路热管“蒸发管路”内部烧结毛细层，然后与“蒸汽和回液管路、注液管”焊接在一起，通过“注液管”先对整个管路抽真空、再注入适量冷媒，成为独立个体的回路热管；然后再把四支回路热管与散热鳍片、铝块铜块等热沉器件焊接成一个整体，组成散热模组；散热模组安装在应用场景后，热源产生的热使毛细结构内的工质发生相变产生蒸汽，在压力差的驱动下，蒸汽沿管路到冷凝器端，释放潜热，冷却成液态，重新回到蒸发端，如此复循环[3]。

2 散热模组设计

2.1 设计指标

散热模组最高功耗：600W

散热性能：热阻＜0.1℃/W@600W，150CFM，Ta=45℃

使用环境：-10～+55℃

内部填充工质为：R134a

2.2 模组结构方案

采用四根独立回路管路，每根回路热管设计功率约150W，2组鳍片，1个铝挤型材，1块铜块直接与热源接触，散热器总功率约600W。

3 单支回路热管制作

3.1 材料要求

烧结管材质采用无氧铜C1020，管径9mm，壁厚0.5mm。

3.2 毛细层设计

烧结管内部粉层结构设计采用锥形设计，采用一端为小孔，另一端为开口状。其目的是让管内蒸汽朝设计的方向流动起来，防止管内蒸汽往两端同时等量扩散，在管内形成蒸汽平衡，从而使管内蒸汽堵塞，出现失效现象。

3.3 铜管折弯要求

铜管折弯需要严格按照图纸尺寸折弯成需要的形状，折弯后需增加矫形工序，务必保证折弯关键尺寸，注意4根铜管极为相似。

3.4 回路热管焊接

回路热管采用高频焊接方式，把烧结管、铜管和注液管三者焊接为整根回路热管[4]。考虑到热管注液前需要高温还原，因此，焊接所使用的焊料为高温焊料：15Ag，焊接温度：约780℃～820℃。

3.5 注液口制备

通过高频焊接的方式把注液针阀与回路热管注液口进行焊接，形成注液专用通道，便于调节工质加注量。焊料采用磷铜圈，焊接温度630℃～670℃。高频焊接频率：40A。

3.6 回路热管抽真空

对加工好注液口的回路热管进行高温还原，冷却后对尽快进行抽真空，真空度要求为3E-4torr。

3.7 加注冷媒

通过注液口将冷媒R134a加注进完成了抽真空工序的回路热管。由于冷媒R134a的沸点较低，热管需在5℃冰水中进行注液；阀芯与阀帽需要拧紧，防止针阀微泄露。

4 散热模组制作

通过设计制造专用的焊接工装夹具，将鳍片（Fin）、回路热管、散热基板、热沉零件用低温钎焊工艺将它们有机地结合在一起形成一个完整的散热模组产品（见图1和图2）[5]。

图1 产品组成

图2 散热模组成品

5 实验分析

5.1 注液量与热阻关系

对单支回路热管分别加注不同的四种注液量（7g，28g，38g，48g）然后分别进行测试，结果如图3：

图3注液量与热阻关系图

5.2 实验分析

注液量较少时，在高功率下很难维持汽液快速循环，容易超负荷失效；注液量38g左右的性能较好，负载的功率较大，且随着功率增加，热阻呈现缓慢下降趋势。

注液量低于38g，最低点热阻稍微有点增加，失效功率也随之降低；注液量大于38g，整体热阻较高。

6 散热模组性能验证

6.1 模拟芯片热源

芯片热源采用纯铜块镶嵌发热棒的方式模拟，铜块尺寸为80×69mm。

6.2 测试样品

测试样品取用（38g注液量）制造的散热模组。

6.3 测试方法

在风洞中，根据实际需要调节不同风量，不同功率，进行热阻测试。

测试结果固定加热功率为600W时（见图4），风量越大，热阻越小，且随着风量的增加，热阻变化减缓；在150CFM时，热阻约为0.081℃/W，满足设计要求。固定风洞风量为150CFM时（见图5），功率越大，热阻越大，当加热功率达到600W时，热阻为0.09℃/W，满足设计要求。

图4 热阻与风量关系图

图5 热阻与功率关系图

7 技术优点

回路热管散热模组结构设计灵活，可根据不同应用场景及功率消耗要求，设计不同结构、不同数量、不同管径的回路热管应用于同一个散热模组中，解决各种高功率芯片的散热需求；回路热管与其他组件是相对独立的部件，单根回路热管独立制作，易于规模化，大批量制造；单根回路热管作为独立个体，品质更易于控制，确保性能合格的热管才能流入下一个工序，减低成品的品质风险。单根回路热管制造工艺容易实现，基本可与普通热管制造设备共用，可节省前期设备投入成本[6]。

8 结语

通过实际案例制作，案例产品所采用的技术路线是合理的，采取的各项工艺满足了最终产品的需求，过程中，试验过几组不同的参数，回路热管烧结管部分采用烧结粉填充为锥型的结构，另一端留有一小孔的方案，案例产品注液量38g为最佳，按此工艺制作的散热器在风量150CFM时，加热功率为600W时，热阻为0.081℃/W，达到设计要求。