TIM材料超薄均熱板的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

關(guān)鍵詞：5G,TIM熱界面材料，散熱技術(shù)，液體金屬，導(dǎo)電材料，膠粘技術(shù)

摘要：超薄均熱板廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子產(chǎn)品，隨著5G產(chǎn)品的普及，電子產(chǎn)品功率器件的熱流密度越來(lái)越大，超薄均熱板成了移動(dòng)電子產(chǎn)品導(dǎo)熱的關(guān)鍵器件。綜述了當(dāng)前超薄均熱板的發(fā)展現(xiàn)狀，以及超薄均熱板研究過程中遇到的問題。還論述了未來(lái)超薄均熱板的發(fā)展方向是輕質(zhì)材料和新的制造工藝應(yīng)用，輕質(zhì)材料超薄均熱板在未來(lái)將取代銅質(zhì)均熱板，屆時(shí)移動(dòng)電子產(chǎn)品將迎來(lái)散熱器的升級(jí)換代。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)電子產(chǎn)品和高端電子產(chǎn)品越來(lái)越普及，電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，目前已存在的高導(dǎo)熱材料，如普通的銅、鋁型材散熱器件已經(jīng)無(wú)法滿足電子器件高熱流密度傳熱的需求。在電子、通訊、航空航天、自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域，隨著 5G 產(chǎn)品的問世，移動(dòng)電子產(chǎn)品對(duì)高精度超薄散熱器件的要求越來(lái)越高。5G 高速大容量數(shù)據(jù)處理時(shí)，手機(jī)終端會(huì)產(chǎn)生超高的熱量，需要有更好的導(dǎo)熱器件來(lái)滿足高熱流密度的傳熱需求，散熱問題成為制約高端電子器件發(fā)展的核心要素之一。

相變導(dǎo)熱是當(dāng)今效率最高的導(dǎo)熱方式，均熱板是相變導(dǎo)熱方式的典型產(chǎn)品，也是解決當(dāng)前電子芯片高熱流密度問題的最佳方式，如圖1所示，它依靠液體汽化和凝結(jié)過程的汽化潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。相變傳熱元件的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)散熱器件的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率（大于5000 W/(m2·℃）可以達(dá)到傳統(tǒng)導(dǎo)熱方式的幾十倍以上（空氣對(duì)流、液體對(duì)流的導(dǎo)熱系數(shù)分別為10~100，100~1000 W/（m2·℃）[2]，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在高端顯卡、筆記本電腦、服務(wù)器、智能手機(jī)上。

均溫板又稱均熱板，簡(jiǎn)稱VC（Vapor chamber）板，它利用密封空間內(nèi)的冷卻工質(zhì)相變蒸發(fā)而將熱量迅速擴(kuò)散到腔體，在冷凝端，工質(zhì)冷凝為液體后，通過毛細(xì)力、重力又回流到熱源端。均熱板和微熱管就是這種典型的相變導(dǎo)熱器件，其傳熱性能是自然界導(dǎo)熱材料的幾十到幾百倍。由于其良好的導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于高熱流密度的電子芯片散熱，如智能手機(jī)芯片、筆記本和大部分電腦的CPU/GPU等，而傳熱性能更好的均溫板則廣泛應(yīng)用于服務(wù)器芯片和智能手機(jī)芯片，由于VC板為二維面與面熱傳導(dǎo)，與熱管為一維線性的熱傳導(dǎo)相比，均溫板熱傳遞的效率更高。

一

均熱板國(guó)內(nèi)外の研究現(xiàn)狀

電子產(chǎn)品中，芯片和整個(gè)產(chǎn)品體積都越來(lái)越小，為了提高散熱效果，筆記本電腦、服務(wù)器、高端顯卡等均采用相變導(dǎo)熱器件。目前，智能手機(jī)主流的導(dǎo)熱元器件是石墨片和銅片的組合，如華為采用了高導(dǎo)熱性能的合金，但隨著芯片性能的提高，傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料越來(lái)越難以滿足性能要求，目前華為、三星等在其高端手機(jī)中率先使用了超薄熱管導(dǎo)熱技術(shù)，取得了良好效果。目前超薄熱管和均熱板也只有少數(shù)企業(yè)掌握，如奇宏、雙鴻、超眾、健策、泰碩等，一般中小散熱產(chǎn)品廠商還不能生產(chǎn)超薄熱管和超薄均熱板。目前均熱板其材質(zhì)主要采用銅質(zhì)，對(duì)于鋁質(zhì)材料的熱管和均熱板，目前學(xué)術(shù)界研究的成果還非常少，可以查閱的文獻(xiàn)不多。通常情況下，一般把總厚度2 mm以下的均熱板稱為超薄均熱板，當(dāng)均熱板厚度下降到一定程度時(shí)，其蒸發(fā)腔的熱阻將大幅度上升，傳熱效率也因均熱板厚度減小而降低，如圖2所示[2]。因市場(chǎng)電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，尤其是智能手機(jī)，其機(jī)體總厚度往往下降到8 mm，市場(chǎng)迫切需要超薄均熱板，尤其是總厚度0.8 mm以下的均熱板和熱管，這樣的超薄均熱板和熱管其內(nèi)部腔體厚度已經(jīng)下降到了極限，導(dǎo)致蒸汽腔的熱阻陡然上升，因此均熱板熱質(zhì)傳遞特性與均熱板隨厚度之間的關(guān)系，成為近年來(lái)學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。均熱板腔內(nèi)不易觀察，并且工質(zhì)相變及流動(dòng)較為復(fù)雜，這會(huì)加大因均熱板厚度減小而帶來(lái)的熱質(zhì)傳遞特性，以及對(duì)工質(zhì)流動(dòng)特性影響的研究難度。

學(xué)術(shù)界對(duì)普通銅質(zhì)均熱板的研究比較深入，大多數(shù)文獻(xiàn)集中在均熱板的成形工藝、吸液芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工質(zhì)傳輸特性及制造工藝改善研究等方面。LU等[1]對(duì)用于汽車的LED車燈三維均熱板的熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了一種三維均熱板結(jié)構(gòu)，可以安裝在空間非常有限，且熱負(fù)荷較高的場(chǎng)合，所提出的三維均熱板可以看作是扁平熱管和圓形均熱板的組合。對(duì)不同加熱方式以及三維均熱板的熱性能、功率分布特性、溫度分布和熱阻的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的總熱負(fù)荷下，兩側(cè)加熱的三維均熱板比一側(cè)加熱的均熱板熱性能好。李聰[2]的研究表明，電子產(chǎn)品集成度越來(lái)越高，均熱板內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)阻力隨著VC板厚度的減小而增大，傳熱性能與最大傳熱極限也急劇下降。李聰[2]分析了在不同熱負(fù)荷下，因蒸汽腔厚度變化，VC板工質(zhì)在蒸汽腔和吸液芯中的流動(dòng)傳熱特性也隨著變化。實(shí)驗(yàn)表明，超薄VC板傳熱總熱阻隨蒸汽腔厚度變化呈一定規(guī)律性變化，當(dāng)蒸汽腔厚度減小到0.3 mm時(shí)，超薄VC板的傳熱熱阻會(huì)陡然上升，如圖2所示[2]，當(dāng)蒸汽腔厚度減小到0.1 mm后，蒸汽腔的熱阻將達(dá)到總熱阻的80%以上，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為修正熱阻網(wǎng)絡(luò)模型提供了有力支撐，同時(shí)也證明了蒸汽腔厚度要有一定限度，不能無(wú)限減小。SIVANAND等[3]建立了一個(gè)數(shù)值模型以獲得有效的吸液芯熱導(dǎo)率，它是微柱直徑、柱間距和柱高度的函數(shù)。微柱直徑越小，柱間距越小，吸液面積越大，有效吸液芯熱導(dǎo)率越大。為了解決超薄VC板傳熱性能下降的問題，以流體相變熱質(zhì)傳遞理論為基礎(chǔ)，GAN[4]對(duì)不同冷卻條件下，具有復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)的薄型均熱板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析研究，為了提高在高熱流密度條件下均熱板的熱性能，開發(fā)了腔體具有泡沫銅均熱板（CFVC）和銅絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的均熱板（CMVC）。湯勇等[5]指出電子產(chǎn)品不斷朝著高性能化與輕薄化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的圓柱型微熱管滿足輕薄型電子設(shè)備的散熱要求，而體積更小、質(zhì)量更輕、厚度更薄的超薄微熱管才是目前熱管的重要發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。GAURAV等[6]的研究表明，對(duì)于薄型VC板散熱器的瞬態(tài)熱響應(yīng)，決定瞬態(tài)熱響應(yīng)的3個(gè)關(guān)鍵要素為蒸汽腔的總熱容量決定腔體平均溫度的增長(zhǎng)率，有效平面擴(kuò)散率決定了空間溫度到初始值所需的時(shí)間，蒸發(fā)芯的平面擴(kuò)散率決定了空間溫度變化范圍。KALIND等[7]對(duì)不同工況條件下VC板最小熱阻設(shè)計(jì)時(shí)的吸液芯和工質(zhì)的選擇作了系統(tǒng)研究，VC板的熱阻主要由穿過蒸發(fā)器的吸液芯傳導(dǎo)性和蒸發(fā)核心飽氣溫度的梯度決定，這兩種主要熱阻的相對(duì)貢獻(xiàn)隨VC板工作條件和幾何形狀的變化而劇烈變化。SIVANAND等[8]研究表明，因?yàn)橛欣淠齽┫嘧兊淖饔?，熱管和VC板才成為高效的散熱器件，蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這種高性能特點(diǎn)是通過高散熱能力和低熱阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，過去學(xué)術(shù)界做了大量的實(shí)驗(yàn)和建模研究，主要集中在不同幾何形狀的蒸發(fā)器絲網(wǎng)的設(shè)計(jì)方面，但同時(shí)優(yōu)化熱流密度和熱阻的系統(tǒng)研究非常有限。SIVANAND等[8]開發(fā)了一個(gè)綜合模型，它考慮了這兩個(gè)方面，為蒸發(fā)器微管絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。與以前的分析模型相比，采用新開發(fā)的數(shù)值模型可以更好地捕捉毛細(xì)限制的散熱[9]。SOO等以去離子水為介質(zhì)，對(duì)基于晶圓硅片的薄VC板（TVC）的熱特性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了多種薄VC板的最大傳熱速率、最大溫度和熱阻。SONGKRAN 等[10]完成了10種不同結(jié)構(gòu)、不同工質(zhì)填充率的VC板熱阻特性研究，結(jié)果顯示，這項(xiàng)研究能夠給出一個(gè)指導(dǎo)策略，幫助設(shè)計(jì)人員以最優(yōu) 的VC板填充率獲得最小的VC板熱阻。SONGKRAN[11]研究了依靠空氣冷卻的VC板的熱性能提升問題，這種VC板內(nèi)部的微通道散熱器具有多孔燒結(jié)吸液芯，從獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與沒有多孔燒結(jié)吸液芯的VC板相比，有多孔燒結(jié)吸液芯對(duì)毛細(xì)力的增加有顯著影響，從而導(dǎo)致較高的導(dǎo)熱速率，因此，氣冷式VC板的微通道內(nèi)具有多孔燒結(jié)吸液芯，其導(dǎo)熱性能比無(wú)多孔燒結(jié)吸液芯的VC板高出20%。LIU[12]為了驗(yàn)證復(fù)合柱的優(yōu)越性，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)VC板在不同傾角下的熱性能進(jìn)行了評(píng)估。在本參數(shù)研究中，填充率分別為70%和100%，燒結(jié)層的氣孔率分別為0%，50%，95%，熱負(fù)荷在6~96 W之間變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合柱的包層提高了毛細(xì)管極限，并有助于工質(zhì)抵抗重力的影響，增進(jìn)循環(huán)流動(dòng)，最終拓寬了VC板的適應(yīng)性。

GAURAV[13]建立了VC板熱傳輸?shù)娜S瞬態(tài)時(shí)間步進(jìn)分析模型。ZENG[14]對(duì)一種具有凹入腔陣列微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)的鋁質(zhì)VC板進(jìn)行了熱傳遞性能實(shí)驗(yàn)研究，這種VC板要求器件質(zhì)量輕、體積小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電子器件的有效熱管理。周文杰[15]設(shè)計(jì)了多種不同的VC板，用了上下扣合結(jié)構(gòu)制作的鋁粉燒結(jié)型VC板吸液芯，腔內(nèi)采用銅支撐柱與銅粉燒結(jié)支撐柱，增強(qiáng)了均熱板的強(qiáng)度。周文杰[15]還通過改變均熱板吸液芯的孔隙率，測(cè)試了不同參數(shù)下的均熱板蒸發(fā)表面與冷凝表面的均溫性、均熱板的熱阻值及最大傳熱功率[15]。黎子曦[16]對(duì)3種吸液芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，如圖3所示，并設(shè)計(jì)了一種2.5 mm厚度的均熱板，蒸發(fā)端吸液芯采用具有多干道三維形狀的銅粉絲網(wǎng)復(fù)合燒結(jié)結(jié)構(gòu)，而冷凝端吸液芯采用絲網(wǎng)燒結(jié)結(jié)構(gòu)（CMVC）和泡沫銅燒結(jié)結(jié)構(gòu)（CFVC），筆者還通過制定工藝路線，調(diào)整工藝參數(shù)，完成了對(duì)超薄均熱板制造工藝的優(yōu)化。HAO[17]對(duì)一種新型電子散熱用鋁質(zhì)平板熱管的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在不同的氣流速度下進(jìn)行了各種性能試驗(yàn)，以蒸餾水和丙酮為工質(zhì)，觀察了參數(shù)變化對(duì)平板熱管穩(wěn)態(tài)傳熱特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，填充率和真空度對(duì)平板熱管的熱性能有顯著影響。與蒸餾水和丙酮的冷卻性能相比，丙酮的平板熱管冷卻組件在相同的填充率下具有更強(qiáng)的散熱能力。日本富士通公司SHIOGA研制了超薄環(huán)路熱管[18]，用于智能手機(jī)和平板電腦的熱管理，它的外殼為0.1 mm的銅片，并用激光刻蝕制作出溝槽型吸液芯，如圖4所示，其整體厚度僅為0.6 mm，并采用紅外攝像儀對(duì)其傳熱性能進(jìn)行了熱測(cè)試。

上述都是在以銅質(zhì)材料為基礎(chǔ)進(jìn)行的研究，成果較多。學(xué)者李聰[2]對(duì)超薄均熱板的研究比較深入，涉及到吸液芯液膜蒸發(fā)模型、傳熱傳質(zhì)模型的數(shù)值分析，提出了改進(jìn)數(shù)值仿真計(jì)算模型，但未涉及到超薄均熱板的焊接工藝，且采用的材料為銅薄板。李聰還對(duì)薄型VC板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析研究，對(duì)不同冷卻條件下，具有復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)的薄型均熱板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析研究，為了提高在高熱流密度條件下均熱板的熱性能，開發(fā)了腔體具有泡沫銅的均熱板（CFVC）和銅絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的均熱板（CMVC），所采用的材料均為銅質(zhì)，沒有涉及到新型的輕質(zhì)材料。周文杰[15]采用的仍然是銅質(zhì)材料的VC板，黎子曦[16]涉及到超薄均熱板的生產(chǎn)工藝研究，但是其研究是以2.5 mm厚度為研究對(duì)象，這樣厚度的VC板很難應(yīng)用于移動(dòng)電子產(chǎn)品，而且采用的材料仍然是傳統(tǒng)的銅質(zhì)材料。

二

輕質(zhì)材料超薄均熱板の研究現(xiàn)狀

隨著先進(jìn)制造、綠色制造等先進(jìn)理念深入人心，學(xué)術(shù)界加大了輕質(zhì)材料焊接工藝的研究，如李維偉[19]對(duì)5083鋁合金擴(kuò)散焊接工藝進(jìn)行了研究。鋁合金焊接的困難在于鋁合金表面氧化膜的存在，阻礙了原子的擴(kuò)散，因此如何去除鋁合金的氧化膜，并防止氧化膜的二次產(chǎn)生是鋁合金擴(kuò)散焊接的關(guān)鍵要素。李維偉[19]用砂紙打磨后，采用化學(xué)方法處理5083鋁合金，去除鋁合金的氧化層，并在試樣上涂上一層保護(hù)劑，并將其放入真空環(huán)境，然后按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散焊，實(shí)驗(yàn)表明，5083鋁合金在一定工藝參數(shù)條件下，擴(kuò)散焊是可行的，保溫時(shí)間相同、溫度不同情況下，兩鋁合金擴(kuò)散焊界面晶相如圖5所示[19]，溫度不同時(shí)，晶粒的大小也明顯不同，從圖5可以看出，溫度上升，晶粒的直徑會(huì)增大，擴(kuò)散焊實(shí)驗(yàn)從490℃開始，保溫時(shí)間均為2.5 h，每增加10℃記錄一次，在490℃情況下，經(jīng)過2.5 h后，仍然可以清晰地看出兩個(gè)鋁合金材料的分界面，隨著溫度上升，分界面逐漸模糊，直到溫度上升到550℃時(shí)，分界面完全消失，兩鋁合金完全融合，焊接牢固了。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明，鋁合金焊接采用擴(kuò)散焊方法是可行的，缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)，效率低。于前[20]采用真空擴(kuò)散焊對(duì)AZ91鎂合金/7075鋁合金進(jìn)行了擴(kuò)散連接，對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相顯微組織分析，并利用顯微硬度計(jì)和微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭界面擴(kuò)散區(qū)的顯微硬度和接頭抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，焊接溫度和保溫時(shí)間對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度有顯著影響，在連接溫度為470℃，保溫時(shí)間為60 min時(shí)，過渡層寬度為34.36 μm，接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值49.8 MPa。牛志偉[21]對(duì)鋁合金6063微流道散熱板采用了真空擴(kuò)散焊，并研究了鋁合金擴(kuò)散焊界面的組織形態(tài)及界面結(jié)合力，以及擴(kuò)散焊接頭的微觀組織及力學(xué)性能。李琪[22]研究了鋁合金水冷板擴(kuò)散焊工藝，采用真空擴(kuò)散焊的方法焊接6061鋁合金，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，用光學(xué)顯微鏡分析焊后接頭的顯微組織．在焊接溫度為530℃、保溫時(shí)間為7 h和焊接壓力為3.5 MPa的條件下，擴(kuò)散焊接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值137.3 MPa；擴(kuò)散焊水冷板在2 MPa、保壓1 h的情況下水壓檢測(cè)無(wú)泄漏，鋁合金變形量不大于0.5%。采用真空擴(kuò)散焊工藝實(shí)現(xiàn)了6061鋁合金水冷板的可靠焊接[22]。劉曉辰[23]提出了一種新型燒結(jié)擴(kuò)散焊接技術(shù)，對(duì)比并分析了其與傳統(tǒng)粉末燒結(jié)、擴(kuò)散焊接和其他密封連接技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系。M. Elsad等[24]研究了焊接壓力對(duì)鋁/銅擴(kuò)散焊接頭組織的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，脈動(dòng)壓力通過破壞金屬結(jié)合表面的氧化層來(lái)顯著改善擴(kuò)散結(jié)合過程，同時(shí)增加焊接壓力會(huì)對(duì)反應(yīng)層產(chǎn)生更多的擠壓變形（擠壓效應(yīng)），其目的是通過控制鍵合壓力（焊接壓力）來(lái)改善鋁-銅接頭的原子擴(kuò)散和力學(xué)性能，溫度（600℃）和時(shí)間（60 min）保持不變，而鍵合壓力在5~12.5 MPa之間變化。M. Elsad對(duì)接頭的冶金和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，在5~12.5 MPa的壓力范圍內(nèi)，接頭處生成了一個(gè)無(wú)氧化物的結(jié)合界面。鍵合壓力的升高（5~12.5 MPa）增加了鋁/銅界面之間的結(jié)合強(qiáng)度（78.39~108.47 MPa）和擴(kuò)散深度（11.32~20.87 μm）。

李文東[25]為了提高雷達(dá)天線組件的成品率，采用釬焊和釬焊-擴(kuò)散焊復(fù)合連接的方法，對(duì)3A21鋁合金多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了焊接試驗(yàn)研究。通過掃描電鏡、能譜和X射線衍射對(duì)接頭組織形貌及成分進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，與釬焊對(duì)比，釬焊-擴(kuò)散焊復(fù)合方法所得接頭質(zhì)量較好，接頭焊縫微觀組織主要包括蜂窩狀的Al基體、塊狀A(yù)l-Si相和初晶Si等，母材與釬料之間Si，Mg，Mn元素已充分?jǐn)U散均勻。通過對(duì)接頭剪切試驗(yàn)和斷口進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在一定范圍，接頭剪切強(qiáng)度隨擴(kuò)散時(shí)間及壓力的增大而增大，最高抗剪強(qiáng)度達(dá)81 MPa。接頭斷口表面形貌為脆性斷口，斷口表面有很多呈河流花紋狀的相對(duì)平坦的解理面和少量韌窩。采用釬焊-擴(kuò)散焊復(fù)合方法所得焊件變形量小于0.02 mm，滿足變形量要求。黃本生[26]論述了泡沫鋁兼具結(jié)構(gòu)與功能特性，為充分發(fā)揮泡沫鋁的各種性能，常將其與致密金屬進(jìn)行復(fù)合得到三明治結(jié)構(gòu)，以提高其綜合力學(xué)性能并降低成本。三明治結(jié)構(gòu)的連接方法眾多，而焊接手段是最可靠的連接方式。首先介紹了泡沫鋁的性能特點(diǎn)及焊接難點(diǎn)，綜述了其焊接方法，包括常規(guī)電弧焊、激光焊、釬焊、擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊、等離子焊以及超聲波焊，再對(duì)各工藝的局限性進(jìn)行闡述，最后對(duì)泡沫鋁連接件焊接工藝的發(fā)展方向進(jìn)行了淺析。Abdolhamid[27]在壓力為29 MPa、不同焊接溫度和焊接時(shí)間下，采用擴(kuò)散焊技術(shù)連接7075鋁合金和AZ31B鎂合金。對(duì)樣品界面進(jìn)行掃描電鏡觀察、剪切測(cè)試和顯微硬度測(cè)試來(lái)研究焊接溫度和焊接時(shí)間對(duì)可焊性的影響。結(jié)果表明，7075鋁合金/AZ31B鎂合金復(fù)合板材被很好地連接在一起，且在焊合區(qū)形成金屬間化合物如Al12Mg17和Al3Mg2。由于晶粒粗化和脆性化合物的形成，升高焊接溫度和延長(zhǎng)焊接時(shí)間會(huì)導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低和界面焊接硬度增加。450℃下焊接120 min得到的擴(kuò)焊接接頭具有最小的剪切強(qiáng)度（15 MPa）和最大的顯微硬度（HV176）。提高焊接溫度且選擇合適的焊接時(shí)間能顯著提高焊接界面層厚度。將焊接溫度從430℃提高到450℃，焊接時(shí)間為120 min時(shí)，焊接界面層厚度增加了26%，而當(dāng)焊接時(shí)間為60 min時(shí)，界面層厚度增加了6%。

三

當(dāng)前超薄均熱板研究存在の問題

1）超薄均熱板良品率低。均熱板總體厚度下降到0.8 mm后，其整體強(qiáng)度差，容易變形，上下蓋板封裝焊接困難，且制作良品率低等，封裝焊接工藝有待突破。2）采用鋁鎂材料的均熱板制作工藝研究不足。因?yàn)殇X鎂合金的表 面極易氧化，焊接困難。目前主要采用氣氛擴(kuò)散焊工藝，但是對(duì)于超薄型輕質(zhì)材料的擴(kuò)散焊接，目前的研究成果還非常少，尤其是對(duì)材料壁厚度為0.2 mm鋁合金材料的焊接，幾乎是空白，沒有可查閱的文獻(xiàn)[19—22]。3）超薄均熱板吸液芯需進(jìn)一步優(yōu)化，需要進(jìn)一步優(yōu)化吸液芯結(jié)構(gòu)，以及汽腔和液腔的最佳比例，以及制造過程中如何穩(wěn)定地控制汽腔和液腔的比例，保證良品率的提升[24]。4）傳統(tǒng)數(shù)值仿真模型誤差大。超薄化對(duì)VC板傳熱帶來(lái)的熱質(zhì)傳遞特性變化研究不足，文獻(xiàn)比較少。因均熱板厚度減小，外殼層的厚度、蒸汽腔以及吸液芯的厚度都會(huì)減小。均熱板結(jié)構(gòu)抗變形能力隨著殼厚度的減小而減弱，蒸汽腔厚度的減小也增大了工質(zhì)蒸發(fā)形成的飽和氣態(tài)工質(zhì)向冷凝端流動(dòng)的壓力損失，而吸液芯厚度的減小造成了工質(zhì)在吸液芯結(jié)構(gòu)中從冷凝端向蒸發(fā)端回流通道的流動(dòng)壓力損失增大。均熱板的厚度并不是越小越好，而超薄均熱板的熱質(zhì)傳遞特性理論分析的研究文獻(xiàn)較少[2]。5）需要新的超薄均熱板成形工藝。均熱板厚度下降到0.8 mm以后，往往上下蓋板壁厚只有0.1~ 0.15 mm的厚度，極容易變形，抗彎性差，制造過程中就需要成本低廉，且成熟有效的成形工藝。

四

未來(lái)超薄均熱板の發(fā)展趨勢(shì)

隨著5G產(chǎn)品的推廣，對(duì)超薄均熱板的需求越來(lái)越旺，產(chǎn)品輕量化，綠色制造也是大勢(shì)所趨。

4.1 5G 產(chǎn)品拉動(dòng)超薄均熱板需求

2016~2020年全球5G設(shè)備年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)32%，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)完善，更多投入應(yīng)用的5G設(shè)備需要應(yīng)對(duì)高速運(yùn)行帶來(lái)的高熱問題，5G拉動(dòng)了對(duì)散熱產(chǎn)品的需求。據(jù)德勤預(yù)計(jì)，2020年全球5G手機(jī)銷量預(yù)計(jì)達(dá)1500萬(wàn)~2000萬(wàn)部，2021年預(yù)計(jì)突破1億部。未來(lái)手機(jī)功能更加多樣化，需要芯片應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工況環(huán)境，能耗熱管理是5G智能手機(jī)面對(duì)的難題之一，只有性能更好的超薄型均熱板才能破解熱管理問題。

4.2 超薄均熱板逐步輕質(zhì)化

鋁合金的密度只有2.7 g/cm3，銅的密度為8.9 g/cm3，銅材是鋁合金的3倍多，面對(duì)全球性能源危機(jī)的現(xiàn)狀，越來(lái)越多的研究人員提出，輕量化是能源危機(jī)的完美解決方案。鋁鎂合金焊接難度大，超薄鋁鎂合金焊接難度更大，屬于高端制造，學(xué)術(shù)界對(duì)鋁鎂合金均熱板制造工藝的研究極少，對(duì)超薄鋁鎂合金均熱板焊接工藝的研究幾乎是空白。

移動(dòng)電子產(chǎn)品向高端化方向發(fā)展，研制先進(jìn)的超薄鋁鎂合金均熱板制造工藝意義重大，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造的發(fā)展方向，尤其是便攜式和移動(dòng)式電子產(chǎn)品，輕量化制造非常關(guān)鍵，因此采用先進(jìn)的焊接工藝，如氣氛擴(kuò)散，對(duì)超薄均熱板制造意義重大，且鋁材比銅材價(jià)格便宜，可以降低企業(yè)制造成本，實(shí)現(xiàn)綠色制造。圖6為廣州華鉆電子公司鋁質(zhì)吸液芯燒結(jié)試驗(yàn)。

4.3 國(guó)內(nèi)中小高新企業(yè)逐步掌握核心技術(shù)

目前高端散熱器件核心技術(shù)大多掌握在韓國(guó)、日本和臺(tái)資企業(yè)手中，如臺(tái)灣散熱器大廠雙鴻、超眾、泰碩、力致、奇宏，韓國(guó)的三星，日本古河電工（Furukawa electric）和藤倉(cāng)電子（Fujikura）等。在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)一批高新企業(yè)破繭而出，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批高新企業(yè)，如深圳壘石、碳元科技、中石科技、天脈、精研科技、飛榮達(dá)等企業(yè)快速進(jìn)步，尤其是在高科技產(chǎn)業(yè)園內(nèi)孕育了一批高新科技公司，在一批年輕科技工作者的艱苦努力下，研制出了多種能夠滿足國(guó)內(nèi)高端電子產(chǎn)品的散熱器件，如位于國(guó)家級(jí)孵化器——華南新材料科技園的廣州華鉆電子科技有限公司，就是一家專業(yè)從事高端超導(dǎo)熱相變散熱產(chǎn)品研發(fā)、制造、銷售于一體的高科技企業(yè)，自2014年7月成立，公司已建立較為完善的技術(shù)創(chuàng)新與制造體系，具備開發(fā)相變散熱元件、高性能CUP散熱模組、常規(guī)均溫板等高技術(shù)含量產(chǎn)品的開發(fā)能力，具備年產(chǎn)400萬(wàn)套各類電子散熱器的生產(chǎn)制造能力，目前已為國(guó)內(nèi)外10多家客戶提供服務(wù)，主要戰(zhàn)略合作伙伴包括Intel、聯(lián)想、昂達(dá)等知名企業(yè)。圖7—10為廣州華鉆電子研制的部分產(chǎn)品，因?yàn)槠焚|(zhì)優(yōu)良，在進(jìn)入市場(chǎng)后，得到了用戶的肯定。在高端超導(dǎo)熱相變散熱領(lǐng)域上，華鉆電子公司與國(guó)內(nèi)多所高等院校合作，建立了長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作機(jī)制，保證了產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新活動(dòng)長(zhǎng)期有序開展。

4.4 大量新技術(shù)應(yīng)用于高端散熱器件制造

電子產(chǎn)品正以前所未有的速度更新?lián)Q代。以智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、半導(dǎo)體照明為代表的光電、電子產(chǎn)品的性能不斷提高，而體積卻不斷縮小。電子產(chǎn)品核心芯片的性能提高、體積縮小導(dǎo)致其熱流密度越來(lái)越高，電子器件對(duì)散熱的要求越來(lái)越高，大量高端散熱器件的設(shè)計(jì)與制造采用了隨機(jī)分布的微球體作為柔性腔體支撐體的蒸發(fā)腔結(jié)構(gòu)，也可采用SiO2納米涂層提高表面親水性；如：

①柔性超薄相變導(dǎo)熱器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

②應(yīng)用比表面積大的超親水表面涂層材料和涂布工藝，采用納米二氧化鈦顆粒涂層提高蒸發(fā)腔表面親水性、增加比表面積，采用酞酸酯偶聯(lián)劑等與金屬表面鍵合提高納米顆粒在腔體表面的附著性；

③單層球狀銅粉燒結(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)合刻蝕工藝在銅箔表面構(gòu)建大比表面積的毛細(xì)結(jié)構(gòu)；

④探索新型工質(zhì)，如氧化石墨烯摻雜相變冷卻工質(zhì)，將氧化石墨烯粉末按一定配比摻雜在冷卻工質(zhì)中，增加了工質(zhì)導(dǎo)熱性能，強(qiáng)化了微流體換熱性能，應(yīng)用中可通過石墨烯粉材的選擇與液態(tài)工質(zhì)的大量實(shí)驗(yàn)，確定最佳配比；

⑤優(yōu)化脈沖焊接封裝技術(shù)，通過改變壓力、電流強(qiáng)度以及脈沖寬度等工藝參數(shù)，提高焊接良品率。

4.5 實(shí)現(xiàn)散熱器件升級(jí)換代

隨著5G產(chǎn)品的普及，器件功能模組性能提升，集成度增加，功耗大幅提升，產(chǎn)品對(duì)高端散熱器件的需求保持旺盛的態(tài)勢(shì)。由于企業(yè)對(duì)輕薄、超小型、綠色環(huán)保散熱器件的需求大幅增加，輕質(zhì)散熱器件也提上日程，輕質(zhì)散熱器件一旦產(chǎn)業(yè)化，電子產(chǎn)品散熱器件將迎來(lái)升級(jí)換代，并能通過技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，獲得巨大的利潤(rùn)，其前景非常廣闊。

五

結(jié)語(yǔ)

隨著5G產(chǎn)品的問世與普及，超薄均熱板的需求越來(lái)越大，尤其是總厚度在0.8 mm以下的均熱板，其技術(shù)含量高，制造難度大，成本高，是當(dāng)前企業(yè)需要攻克的核心技術(shù)。隨著先進(jìn)制造的推進(jìn)，輕量化制造必然會(huì)成為趨勢(shì)，超薄均熱板也會(huì)逐步采用鋁鎂合金等輕質(zhì)材料，但采用鋁鎂合金材料的困難在于合金表面的氧化膜，由于氧化膜的存在，阻礙了原子的擴(kuò)散，因此如何去除鋁合金的氧化膜，并防止氧化膜的二次產(chǎn)生是鋁鎂合金擴(kuò)散焊接的關(guān)鍵要素。隨著先進(jìn)制造、輕量化制造工藝的成熟，輕質(zhì)超薄均熱板有著廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前困擾著鋁鎂合金超薄均熱板的問題還是加工工藝問題。隨著企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，和工藝研究的深入，鋁鎂合金的焊接工藝也會(huì)慢慢成熟起來(lái)，輕質(zhì)超薄均熱板必將會(huì)大量應(yīng)用于電子產(chǎn)品，尤其是應(yīng)用于移動(dòng)電子產(chǎn)品，移動(dòng)電子產(chǎn)品散熱器將迎來(lái)升級(jí)換代。

來(lái)源：知網(wǎng)/5G熱管理

作者：周漪清江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳平廣州華鉆電子科技有限公司