超薄壁微热管成型工艺的制作方法

1.本发明涉及微热管制造技术，尤其是一种超薄壁微热管成型工艺。


背景技术：

2.微热管传热技术是微电子设备使用的其中一个高效散热解决方案。它是一种高效相变传热元件，具有高导热率、体积小、重量轻的特点、并且具有良好的等温性。微热管无需额外电力驱动，各个部分均可以强化传热。这些优良的热性能和高效的传热效率使微热管成为当前高热流密度微电子设备散热的理想元件。但与此同时，微电子设备的热流密度却日益提高，工作温度的过高会对微电子芯片的可靠性和使用寿命产生严重影响。散热效率低的传统散热方法已经逐渐不能满足现时以及未来的电子设备散热需求，散热装置由于占用体积的关系已经不适合应用在紧凑型的电子设备上。因此，要解决电子设备散热中的占用空间问题，必须采用体积更小且热性能良好的微热管散热技术。
3.在微热管制造工艺中，铜粉烧结的填充工艺是吸液芯原料的预备，该过程也是微热管制造工艺中的重点之一，它决定了热管的关键部分吸液芯的性能，目前对这方面研究甚少，制造精度和量化产出均有待于提高；其中需要在圆管中灌装铜粉和烧结后进行压扁成型，而压扁进行时微热管是已经密封完毕的，操作者不能在外观上判断内部吸液芯的所在方向，所以现有的一些生产超薄微热管工艺中，基本的做法就是每拔一根热管芯棒就顺便用油性笔在吸液芯所在方向的热管外壁做一处记号，这种方法适合少批量的试产，但定位精度低、速度慢效率差，而且所标记号在后续工艺中很容易被误擦除，导致压扁方向偏移。另外，传统压扁工艺，在成形时热管塑性变形过程中表面坍塌现象严重，这种现象不仅压缩了超薄热管本来就很小的蒸汽通道，增大了液态工质的流动阻力，而且还严重降低了热管的表面平整度，在实际应用中无法与热源或热沉保持良好的接触，从而增大表面接触热阻，降低热管的传热性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种超薄壁微热管成型工艺，它具有填粉均匀，预先标识工艺方向，避免成型偏差，成型过程中产品表面无坍塌现象，满足流水线量化作业等特点。
5.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种超薄壁微热管成型工艺，其特征包括以下步骤：
6.a、切管备料：校直切断形成毛胚管，预留缩颈长度。
7.b、前缩颈：把毛胚管前端缩颈，缩颈后清洗。
8.c、填粉：制备具有吸液芯填充弦切体的芯棒(5)，从材料、颗粒形状、粒径大小选择铜粉；填粉过程在震动填充装置中进行。
9.d、烧结；包括还原阶段、烧结阶段、保温阶段、冷却阶段。
10.e、打标：利用芯棒(5)位于烧结后的微热管(1)中位置，先用较小的压力在设定方
向上对微热管的设定位置进行部分压扁，压扁尺寸不高于微热管最终的压扁尺寸。
11.f、注液：灌注液态工质，除气焊接。
12.g、压扁：在加热条件下，利用微热管内部饱和蒸汽压对管壁的支撑力进行恒温相变压扁成型。
13.h、测试。
14.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，步骤a中，所述缩颈长度为微热管成品长度的多余部分。
15.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，步骤c，所述芯棒和微热管内孔配合中，除了吸液芯弦切体部分之外，芯棒其它部位与微热管内壁之间保留0.05～0.15mm间隙。
16.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，步骤c中，铜粉材料为无氧铜tu2，颗粒形状以不规则为准，粒径为60～200目。
17.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，所述微热管的材料和铜粉材料相同。
18.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，所述震动填充装置设有灌装漏斗，灌装漏斗设有隔板筛，隔板筛中心设有芯棒固定口，以芯棒定位孔为中心布置的铜粉渗料口；灌装漏斗底部设有与微热管外径配合且与芯棒固定口同轴布置的定位孔座。
19.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，步骤e打标在集成打标装置上进行，利用芯棒露出微热管外部的吸液芯填充弦切体进行定位，在弓形吸液芯的平面部分处于水平状态下对微热管前端进行第一次打标；拔出芯棒对微热管尾端进行后缩径之后，以前端打标平面为基准进行尾端第二次打标。
20.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，步骤e打标在集成打标装置上进行，所述集成打标装置设有容纳微热管容置槽的主基板，主基板的两边分别设有一次打标压模组和二次打标压模组；在一次打标压模组的外侧设有芯棒定位装置，芯棒定位装置安装在滑轨上；且二次打标压模组的外侧还设有功能处理接入口，所述芯棒定位装置中设有勾联体，勾联体与芯棒头部配合。
21.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，步骤g压扁时，利用打标定位，其变形过程包括以下几个阶段：弹塑性小变形阶段，使微热管内部的液态工质汽化为蒸汽；弹塑性大变形阶段，在恒定加热温度下，微热管由圆截面被压扁至近似椭圆形截面；微热管弹性反弹及成型，微热管被压扁到标准尺寸保压设定时间后卸去外力。
22.前述的超薄壁微热管成型工艺中，作为优选，步骤g压扁在相变恒温压扁装置中进行，所述相变恒温压扁装置包括组成上、下模的恒温压块和恒温底板，恒温底板上设置具有管体容纳槽的模具板，模具板的一端设有限位块，限位块与模具工作台之间通过支撑弹簧连接。
23.本技术方案以烧结铜粉吸液芯结构为研究对象，针对工艺成型过程中的技术难点，主要从以下几方面进行设计：
24.一是预留缩颈长度，在微热管成品两端分别预先加设一节缩颈段，作为成型过程中的工艺引导手段，在完成使命之后进行处理。该缩颈段在本方案一系列的工艺中均具有一定的辅助作用，它包括：a、填粉工艺中芯棒的固定和对填入铜粉的漏出阻止；b、在一次除气时由于突然减少的管体直径可以在热管内部形成压降，避免剧烈气化后的液态工质被全部抽走；c、在二次除气工艺中充当集气段。
25.二是超薄微热管吸液芯的设计，通过芯棒来决定成型后的吸液芯形状，由于吸液芯的形状对微热管性能有至关重要的影响，本方案综合不同吸液芯形状的优缺点，设计一种弓形吸液芯和与吸液芯方向重合的压扁方向，这种结构不仅具有有效冷却高热流密度电子器件的特性，而且具有量产价值。
26.其中，芯棒和微热管内孔配合中，除填粉体之外的其它部位与微热管内壁之间设置了微间隙，这个间隙除了便于芯棒的插入外，在填粉过程中落入这个间隙中的铜粉对最后成品热管性能也是有利的，因为这些粘附在热管内壁的一层薄吸液芯不仅不会影响铜管的压扁工艺，还增加了气体通道空腔表面的面积，提高了热管的总体蒸发和冷凝传热系数，相当于一个简易的蒸发器和冷凝器。
27.而吸液芯的材料是影响最终热管性能的关键，本方案从材料、颗粒形状、粒径大小等方面来选择铜粉，优选液态工质之间良好的浸润性、导热性，避免了热管内部不凝气体的产生，并使微热管的材料和铜粉材料一致，保证两者具有良好的烧结粘结性能。颗粒形状以不规则为准，过于规则的球形铜粉堆叠时实际产生的空隙较小，不仅没有提供足够的空隙来行使存储工质和供液体流动的功能，还导致吸液芯密度更大，成本更高。
28.三是填粉、烧结技术，通过具有定位、导粉的灌装漏斗及震动填充装置的设计，使微热管、芯棒均得到高精度定位和自由度限定，灌粉均匀流畅，符合流水线量化作业要求。
29.四是在压扁之前进行打标，打标工艺就是在烧结完的微热管上为之后的压扁工艺做的压扁方向标志过程。由于压扁工艺进行时，微热管是已经密封完毕的，操作者不能在从外观上判断内部吸液芯的所在方向。打标在集成打标装置上进行，在微热管拔芯棒前先用较小的压力在特定的方向上对微热管的压扁方向位置进行部分压扁，形成可辨识、可作为平面定位用的打标体。这里指的“设定方向”就是压扁工艺的理论方向。集成打标装置的设计，彻底改变了传统打标方式低效、低精度、偏差大、标识易失等缺陷，同时满足批量生产。
30.五是压扁工艺的设计，利用微热管内部饱和蒸汽压对管壁的支撑力进行恒温相变压扁成型，避免了微热管在成型过程中出现表面坍塌现象，同时，微热管在整个变形过程中都得到了打标平面定位，防止工件翻转，保证了吸液芯位置精度，微热管弹塑性变化柔顺过渡，弹性反弹及成型得到有效制约。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果是：从预留缩颈段到吸液芯的研发，到震动填充装置到打标、相变恒温压扁装置的设计，保证了微热管的尺寸精度，吸液芯的位置精度，确保微热管具有良好的浸润性、导热性、烧结粘结性，满足冷却高热流密度电子器件要求，并实现量化生产。
附图说明
32.图1是本发明的一种震动填充装置结构示意图。
33.图2是图1中灌装漏斗部位局部放大结构示意图。
34.图3是图1中灌装漏斗的隔板筛结构示意图。
35.图4是本发明的一种集成打标装置结构示意图。
36.图5是图4中m处局部放大结构示意图。
37.图6是本发明的一种相变恒温压扁装置结构示图。
38.图7是图6中的限位块结构示意图。
39.图8是本发明的一种微热管填充吸液芯之后横截面示意图。
40.图9是本发明的一种微热管压扁成型之后横截面示意图。
41.图10是本发明的一种工艺流程图。
42.图中：1.微热管，101.吸液芯，2.震动填充装置，201.震动基板，202.灌装漏斗，203.铜粉渗料口，204.芯棒固定口，3.集成打标装置，301.主基板，302.一次打标压模组，303.固定机构，304.二次打标压模组，305.功能处理接入口，306.芯棒定位装置，4.相变恒温压扁装置，401.恒温压块，402.恒温底板，403.限位块，4031.定位槽，4032.弹簧座孔，404.液压缸，5.芯棒。
具体实施方式
43.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
44.本实施例一种超薄壁微热管成型工艺，其制造成型硬件主要包括以下装置：
45.震动填充装置：如图1至图3所示，包括震动盘，一组与微热管1配套的芯棒5，以芯棒5整个长度的圆柱体上设有单边弦切体为例，结合图8所示。震动盘上设有一块水平放置的震动基板201，通过震动基板201定位垂直布置的微热管1，在每支微热管1的顶端装有灌装漏斗202。
46.灌装漏斗202包括隔板筛，隔板筛上部为圆筒型储粉仓，隔板筛正中心设有一处芯棒固定口204，芯棒固定口204的形状包含芯棒5横截面空间以及向两边伸出的矩形定位空间，该矩形定位空间和芯棒5端部t型头配合(注：芯棒5端部t型头在打标装置中和芯棒定位装置306勾联体配合)，芯棒固定口204和芯棒5两者之间为过渡配合。隔板筛中以芯棒定位孔204为中心布置铜粉渗料口203。灌装漏斗202底部经锥形体收口后设有与微热管5外径配合的定位孔座，定位孔座与芯棒固定口204同轴布置。灌装漏斗202底部锥形体收口处即定位孔座的顶端还具有轿直孔，该轿直孔为圆孔，轿直孔与芯棒5圆柱直径间隙配合。芯棒5的底端为圆锥体，与微热管1底端的缩口部配合。
47.集成打标装置：参见图4、图5，设一工作平台，在工作平台上布置主基板301，主基板301上设有一组平行布置的容纳微热管1的容置槽，该部位容置槽的高度比微热管1直径略低。主基板301的两边分别设有一次打标压模组302和二次打标压模组304；在二次打标压模组304的外侧设有芯棒定位装置306，芯棒定位装置306通过勾联体与芯棒5头部配合。芯棒定位装置306安装在滑轨1上由安装在工作台下方的驱动机构控制，当固定机构303对微热管1锁定时芯棒定位装置306可以控制芯棒5的位置。二次打标压模组304的外侧还设有功能处理接入口305，微热管1灌液、封口等工序由专用设备在功能处理接入口部位完成。
48.利用打标定位，其变形过程包括以下几个阶段：弹塑性小变形阶段，使微热管1内部的液态工质汽化为蒸汽；弹塑性大变形阶段，在恒定加热温度下，微热管1由圆截面被压扁至近似椭圆形截面；微热管1弹性反弹及成型，微热管1被压扁到标准尺寸保压设定时间后卸去外力。
49.相变恒温压扁装置：如图6、图7所示，包括组成上、下模的恒温压块401和恒温底板402，恒温底板402上设置具有管体容纳槽的模具板3，模具板3的一端设有限位块403，限位块403由设置在弹簧座孔4032中的压簧和螺栓与模具工作台之间连接，并通过限位块403上的定位槽4031对微热管1进行定位和起始位置高度的调整。
50.本实施例以图8、图9微热管1样品为例，图中编号101为吸液芯，进一步对超薄壁微热管成型工艺进行说明，参见图10，包括以下步骤：
51.a、切管备料、缩颈：校直切断形成毛胚管，在微热管1两端均预留缩颈长度；缩颈长度为微热管1标准成品长度的多余部分。
52.b、前缩颈：把毛胚管前端缩颈，缩颈后清洗；清洗包括两部分：物理清洗和化学清洗。物理清洗主要使用超声波清洗机去除切割过程中产生的铜碎片，化学清洗主要去除铜管上的化学物质。化学清洗的工艺如下：1)使用酒精漂洗和浸泡，去除铜管表面的油脂和脂类化合物；2)使用2％的氮化亚硫酸和含5％teroson gr 403的中性溶液在65℃的环境下进行漂洗；3)自来水清洗；4)使用浓度为85％的磷酸(体积比80％),浓度为65％的硝酸(体积比为10％)和醋酸(体积比为10％)的溶液进行浸泡；5)自来水清洗；6)蒸留水清洗并烘干。
53.c、填粉：准备好具有吸液芯填充弦切体的芯棒5，从材料、颗粒形状、粒径大小选择铜粉。铜粉材料为无氧铜tu2，颗粒形状以不规则为准，粒径为60～200目，微热管1的材料和铜粉材料相同。芯棒305和微热管1内孔配合中，除了吸液芯弦切体部分之外，芯棒305其它部位与微热管1内壁之间保留0.1mm间隙。
54.填粉过程在震动填充装置2中进行。由于超薄型微热管1吸液芯101厚度和体积均较小，偏心的芯棒5可能会导致铜粉完全没有填充到其中一边中，本装置通过灌装漏斗202对芯棒5的定位保证芯棒5与微热管1同心。
55.d、烧结；包括还原阶段、烧结阶段、保温阶段、冷却阶段。
56.使用真空气氛烧结炉，把填粉完毕的微热管1放入烧结炉内，在炉内抽真空并注入还原气体，使用900～1000℃的烧结温度加热30～90min。升温速度需符合以下要求：在炉内温度低于750℃时，升温速度为300℃/h；在炉内温度高于750℃时，升温速度为200℃/h。温度达到目标烧结温度时，进入保温阶段。保温阶段结束后进入自然冷却阶段。
57.e、打标：利用芯棒5位于烧结后的微热管1中位置，先用较小的压力按微热管1中的吸液芯101标准位置作为设定方向对微热管1进行部分压扁，压扁尺寸不高于微热管最终的压扁尺寸。打标在集成打标装置3上进行。
58.具体操作步骤如下：
59.首先把未拔芯棒5的微热管1放在打标在集成打标装置3上，调整方向把芯棒5位于微热管1外端的定位平面作为基准，使弓形吸液芯101的平面部分处于水平状态。在微热管1缩颈端圆锥处进行部分压扁。成型的打标平面和弓形吸液芯101的平面部分是平行的。然后拔出芯棒5，并进行非缩颈一端的处理和焊接。接着把焊接完的微热管1再次进行打标，即第二次打标，此时弓形吸液芯101的平面部分依然为水平状，在微热管1的焊接端进行部分压扁。
60.f、注液：灌注液态工质，除气焊接。进行灌注液态工质、一次除气抽真空、二次除气定长度的操作。需要注意的是二次除气工艺冷焊模具前进的方向需要和打标平面平行。
61.g、压扁：在加热条件下，利用微热管内部饱和蒸汽压对管壁的支撑力进行恒温相变压扁成型。利用打标定位，其变形过程包括以下几个阶段：弹塑性小变形阶段，使微热管内部的液态工质汽化为蒸汽；弹塑性大变形阶段，在恒定加热温度下，微热管由圆截面被压扁至近似椭圆形截面；微热管弹性反弹及成型，微热管被压扁到标准尺寸保压设定时间后卸去外力。压扁过程在相变恒温压扁装置4中进行。
62.h、测试：测试包括成型测试、老化测试。之后清洗包装。
63.上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，比如微热管成型工艺中的常规工序，整圆、折弯成设计形状等等，任何对本发明的简单变换后的结构、工艺、方法等均属于本发明的保护范围。