微熱管是高熱流密度光電芯片領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高效熱傳導(dǎo)元件，抽真空和灌注是其性能的重要影響工序。通過(guò)分析目前微熱管制造工藝中常用的抽真空灌注技術(shù)，提出灌注抽真空微熱管制造技術(shù)；分析該技術(shù)的工作原理和二次除氣理論，建立工質(zhì)額外充液量、微熱管工作死區(qū)、二次除氣集氣段長(zhǎng)度等數(shù)學(xué)模型；對(duì)比分析抽真空灌注與灌注抽真空兩種制造技術(shù)的特點(diǎn)；搭建微熱管性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)采用灌注抽真空技術(shù)制造的銅—水溝槽式微熱管進(jìn)行性能測(cè)試；對(duì)比研究引入額外充液量前后，灌注抽真空技術(shù)制造的微熱管傳熱性能的差異，發(fā)現(xiàn)引入額外充液量后，微熱管性能提高了12 倍。試驗(yàn)結(jié)果表明灌注抽真空技術(shù)可以很好地滿足微熱管的制造需求。

0、前言

　　高性能電子設(shè)備的熱流密度已超常規(guī)空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱能力極限。SAUCIUC等研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)采用銅材、增加重量、優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)和提高風(fēng)速，空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱器的傳熱極限為0.15℃/W。微熱管具有熱阻低、體積小、重量輕和無(wú)需額外動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，VASILIEV研究發(fā)現(xiàn)其已成為未來(lái)高集成度電子芯片散熱的關(guān)鍵元件，其理論被COTTER于1984年提出之后引起廣泛關(guān)注。SUMAN回顧了20世紀(jì)90年代以來(lái)微熱管的理論模型、性能試驗(yàn)和制造技術(shù)，發(fā)現(xiàn)大量文獻(xiàn)對(duì)其傳熱理論進(jìn)行了分析。KANG 等研究發(fā)現(xiàn)，不同工質(zhì)充液量的微熱管具有很大的差異，真空度和充液量是影響微熱管性能的重要因素。已有的微熱管制造方面的文獻(xiàn)主要集中在毛細(xì)吸液芯制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，對(duì)其中的抽真空和工質(zhì)灌注技術(shù)的研究涉及很少，僅有一些試驗(yàn)性研究。

　　PETERSON指出微熱管傳統(tǒng)抽真空和灌注技術(shù)主要有抽真空灌注技術(shù)和灌注工質(zhì)后蒸發(fā)除氣技術(shù)。微熱管工作時(shí)，SARRAF 等研究發(fā)現(xiàn)，空氣等不凝性氣體將會(huì)在冷凝段積聚，該現(xiàn)象是微熱管可靠性下降的主要原因。由于完全蒸發(fā)除氣技術(shù)徹底排除不凝性氣體困難且真空度難以控制，在微熱管制造中已很少使用；目前使用的主要是抽真空灌注技術(shù)：將微熱管一端封口且壁殼清潔除氣后，用高真空泵將其內(nèi)部抽真空到10–3 Pa，最低也要達(dá)到10–1 Pa。由于液體在高真空環(huán)境下因飽和蒸氣壓下降而易蒸發(fā)，高真空泵對(duì)管道內(nèi)的液體十分敏感。連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，采用該技術(shù)生產(chǎn)的微熱管，受到設(shè)備管道內(nèi)殘余液體的影響而生產(chǎn)效率受到限制。

　　基于不凝性氣體在微熱管工作時(shí)在冷凝段聚集的現(xiàn)象，以及蒸發(fā)除氣技術(shù)原理，本文提出灌注抽真空微熱管制造技術(shù)：微熱管首先在低真空度環(huán)境下預(yù)先封裝，然后利用加熱使不凝性氣體在冷凝段的集氣段聚集，最后將集氣段去除。采用對(duì)比研究的方法，通過(guò)原理分析和試驗(yàn)研究，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行論證。該技術(shù)的使用，將大為提高微熱管生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)設(shè)備投資成本。

1、微熱管抽真空與灌注制造技術(shù)

1.1、微熱管的工作死區(qū)

　　微熱管是相變傳熱材料，工作原理如圖1。它由相變材料(工質(zhì))、壁殼和毛細(xì)吸液芯組成。工質(zhì)在蒸發(fā)段加熱發(fā)生相變，經(jīng)過(guò)絕熱段傳送到冷凝段釋放出熱量后重新凝結(jié)為液體，最后依靠毛細(xì)吸液芯的毛細(xì)作用回流到蒸發(fā)段，完成一個(gè)工作循環(huán)。

圖1 微熱管工作原理

　　工質(zhì)在微熱管工作前主要以液態(tài)形式存在，工作時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。為了使工質(zhì)在低溫下發(fā)生相變，需要提高微熱管壁殼內(nèi)的真空度。微熱管制造環(huán)境溫度θ₁ 通常恒定，此時(shí)工質(zhì)的飽和蒸氣壓為p_sau1。封裝完后，管內(nèi)體積為V0 的微熱管內(nèi)的氣壓為p1，則殘余空氣分壓

p_air1 = p₁ − p_sau1 (1)

　　該微熱管如在θ₂ 溫度下工作，此時(shí)工質(zhì)的飽和蒸氣壓為p_sau2，則微熱管內(nèi)的壓力p₂ 根據(jù)混合氣體的道爾頓(Dalton)定律為

　　微熱管正常工作時(shí)，如冷卻充分，混合氣體中的不凝性氣體(以空氣為主)將會(huì)動(dòng)態(tài)的與工質(zhì)蒸氣分離。分離出的不凝性氣體，由于傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于工質(zhì)的相變，可以認(rèn)為是熱傳導(dǎo)的死區(qū)。該體積稱為微熱管的工作死區(qū)Vdead，假設(shè)所有的氣體皆為理想氣體，則

1.2、抽真空灌注技術(shù)

　　目前微熱管的制造技術(shù)普遍采用抽真空灌注技術(shù)，即先利用高抽真空設(shè)備將壁殼內(nèi)環(huán)境抽離到高真空，然后往內(nèi)灌注一定量的工質(zhì)，見(jiàn)圖2。為了保持高真空，抽真空后壁殼將不能移動(dòng)，故高抽真空設(shè)備和灌注設(shè)備、封口裝置必須組合設(shè)計(jì)。利用針閥等小流量氣密性好的閥門來(lái)準(zhǔn)確控制微熱管所需的充液量q_l，其精度達(dá)到0.1 mL，數(shù)值的大小與壁殼容積、毛細(xì)吸液芯類型和幾何參數(shù)、使用環(huán)境等有關(guān)，POPOVA 等提出以毛細(xì)吸液芯孔隙體積和壁殼內(nèi)工質(zhì)蒸氣量之和計(jì)算。

圖2 熱管抽真空灌注系統(tǒng)原理圖

　　抽真空灌注方式制作的微熱管，其真空度與真空泵的抽速v 和時(shí)間t 有關(guān)。灌注工質(zhì)前，對(duì)于管內(nèi)體積為V0 的微熱管，假設(shè)氣體為理想氣體，經(jīng)過(guò)時(shí)間t，微熱管內(nèi)的氣壓將由標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0 下降到p(t)，經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt，根據(jù)波義耳(Boyle R)定律

　　該技術(shù)制作的微熱管性能穩(wěn)定，不凝性氣體少，工作死區(qū)可以忽略。然而由于工質(zhì)灌注和抽真空聯(lián)動(dòng)裝置的復(fù)雜性、高真空設(shè)備對(duì)液體的敏感性，造成設(shè)備價(jià)格高、生產(chǎn)效率較低，在實(shí)際生產(chǎn)中成本高。

1.3、灌注抽真空技術(shù)

　　先在微熱管壁殼內(nèi)灌注一定量的液態(tài)工質(zhì)，然后進(jìn)行抽真空(一次除氣，真空度較低)。由于液態(tài)工質(zhì)會(huì)隨著真空度的提高而發(fā)生相變，此時(shí)很難達(dá)到高真空。為了防止工作死區(qū)過(guò)大，需要額外引入不依靠真空泵而去除空氣的二次除氣方法，其裝置原理如圖3 所示。對(duì)工作段有效長(zhǎng)度為l1、中徑為d1 的微熱管，在封口段預(yù)留長(zhǎng)度為長(zhǎng)l2、中徑為d2的集氣段。低真空泵一次除氣后，在集氣段頂端預(yù)先封口。二次除氣時(shí)，加熱微熱管蒸發(fā)段到θ3，此時(shí)工質(zhì)的飽和蒸氣壓為psau3。冷凝集氣段，使液態(tài)工質(zhì)發(fā)生相變后推動(dòng)壁殼內(nèi)不凝性氣體向集氣段流動(dòng)。氣態(tài)工質(zhì)凝結(jié)后依靠毛細(xì)和重力作用重新返回蒸發(fā)段，而殘余空氣等不凝性氣體則在集氣段積聚。一段時(shí)間后，不凝性氣體在密封壁殼集氣段內(nèi)偏析，達(dá)到與氣態(tài)工質(zhì)動(dòng)態(tài)的分離。最后，利用封口模將微熱管集氣段從工作段去除。