微型溝槽型熱管加工技術(shù)現(xiàn)狀和展望*

錢雙慶，吳媛媛，衛(wèi)濤杰，王福強(qiáng)，劉鵬飛，李愷洋

(1.南通大學(xué) 杏林學(xué)院，江蘇 南通 226000；2.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

隨著電子設(shè)備不斷向小型化、高性能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高效冷卻成為電子設(shè)備發(fā)展中的關(guān)鍵性問題[1]。在諸多散熱技術(shù)中，熱管[2]的應(yīng)用極為廣泛。溝槽型吸液芯結(jié)構(gòu)的熱管[3]具有壁薄、重量輕、有效散熱面積大等特點(diǎn)，在微電子[4]、航天航空[5]及制冷[6]等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前微型溝槽型熱管主要分成圓形溝槽型熱管和平板溝槽型熱管兩種。微型溝槽型熱管的傳熱性能主要取決于微溝槽的截面形狀、深寬比等，因此，加工出理想的微溝槽是制造熱管過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 機(jī)械加工技術(shù)

1.1 高速充液旋壓法

高速充液旋壓法[7-8]的加工原理是通過拉拔力的作用使銅管與游動(dòng)芯頭做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)旋壓珠在充液油腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)并擠壓銅管，在二者的共同作用下銅管內(nèi)壁發(fā)生塑性變形，形成與刀齒相對(duì)應(yīng)的微溝槽。充液油腔內(nèi)充滿了潤(rùn)滑油，可以使鋼球和銅管外壁之間有良好的潤(rùn)滑，提高了表面質(zhì)量，并發(fā)揮了一定的冷卻作用。華南理工大學(xué)的Tang Y等[9]在壁厚比1.16、旋轉(zhuǎn)速度300 r/s、拉拔速度240 mm/s、材料延伸率50%、旋轉(zhuǎn)深度0.2 mm條件下進(jìn)行充液旋壓成形，得到的溝槽型熱管及其微溝槽表面形貌如圖1所示。

圖1 充液旋壓成形的溝槽型微熱管 圖2 擠壓-犁削成形加工原理 圖3 擠壓-犁削成形的微溝槽

方曉明等[10]對(duì)高速充液旋壓成形工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了影響微溝槽成形的工藝參數(shù)。華南理工大學(xué)的湯勇等[11-12]在高速充液旋壓法的基礎(chǔ)上，提出充液旋壓-多級(jí)拉拔復(fù)合成形的方法，即對(duì)經(jīng)過高速充液旋壓法加工過的溝槽型熱管，采用多級(jí)拉拔工藝進(jìn)行縮徑加工，得到尺寸更小的溝槽型微熱管，直徑最小達(dá)到3 mm。

利用高速充液旋壓法加工出薄壁的溝槽型微熱管，工藝簡(jiǎn)單，適用于大量生產(chǎn)。該加工方法對(duì)密封性要求高，由于刀具的限制只能加工Φ6 mm以上的熱管。充液旋壓-多級(jí)拉拔復(fù)合成形的方法解決了高速充液旋壓法在尺寸上的局限性，且操作簡(jiǎn)單，但影響拉拔質(zhì)量的因素較多，會(huì)出現(xiàn)斷管、斷齒等現(xiàn)象，多級(jí)拉拔在一定程度上會(huì)降低熱管的剛度。

1.2 擠壓-犁削法

利用擠壓-犁削法[13-15]的原理如圖2所示，多齒拉刀在沿拉削方向的拉力作用下前進(jìn)，使切削刃在銅管內(nèi)壁犁削出軸向微溝槽。邵陽(yáng)學(xué)院的趙小林等[16]提出犁削-拉拔法，其工作原理是在熱管拉削成形的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次或多次拉拔工序。Lin X等[17]隨后進(jìn)行二次反向擠壓-犁削成形，得到的微溝槽具有更加復(fù)雜的粗糙形貌，如圖3所示。

華南理工大學(xué)的池勇等[18]利用犁切-擠壓法加工平板型微熱管上的微溝槽翅結(jié)構(gòu)。在犁切-擠壓成形刀具運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生犁切成槽、擠壓成緣、堆積成翅和滑移撕裂，4個(gè)階段周而復(fù)始循環(huán)形成具有間歇微翅的微溝槽翅結(jié)構(gòu)。

2 微細(xì)電解加工技術(shù)

電解加工是基于電解的陽(yáng)極溶解的原理，借助成形的陰極，將陽(yáng)極工件按一定形狀和尺寸加工成形。廣東工業(yè)大學(xué)的孫濤濤等[19]提出用多線螺旋電極對(duì)管內(nèi)壁表面進(jìn)行微細(xì)電解加工的新方法，通過調(diào)整電極的進(jìn)給速度、螺旋線角度和凹槽尺寸等來獲得不同尺寸的微溝槽。圖4為右旋加工和右旋加工后進(jìn)行左旋加工的熱管內(nèi)壁微溝槽。

圖4 螺旋電極微細(xì)電解加工微溝槽 圖5 掩膜微細(xì)電解加工的微溝槽 圖6 激光刻蝕加工的微溝槽

大連理工大學(xué)的王艷萍等[20]研究了掩膜微細(xì)電解加工微溝槽的方法，并重點(diǎn)分析了電流密度、加工時(shí)間對(duì)微溝槽成形質(zhì)量的影響。試驗(yàn)得到優(yōu)化的加工參數(shù)，并加工出寬200 μm～250 μm、深60 μm～90 μm的微溝槽，如圖5所示。

微細(xì)電解加工精度高，加工過程中工具無損耗、無應(yīng)力生成，可以靈活控制材料去除，加工的尺度小，但對(duì)設(shè)備的要求較高，工具電極的設(shè)計(jì)和制造比較復(fù)雜，加工的速度較慢。

3 激光刻蝕加工技術(shù)

激光刻蝕技術(shù)的工作原理是將激光光束局部作用在浸泡于刻蝕劑的工件表面，從而誘導(dǎo)刻蝕劑與工件之間發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，在工件表面刻蝕出欲加工的微溝槽。Oh K H[21]等提出采用以光纖為光波導(dǎo)管和加工工具的新型激光刻蝕技術(shù)制造微溝槽，并研究發(fā)現(xiàn)蝕刻劑、激光功率(P)、加工工具與工件表面的距離(G)和掃描速度(v)等對(duì)激光刻蝕加工都有重要的影響。通過對(duì)比分析得到最佳試驗(yàn)條件為P=4 W,v=2 μm/s，G=250 μm，刻蝕劑為2%的H2SO4溶液與1%的H2O2溶液混合，最終在銅表面上得到均勻的深寬比為2.5的微溝槽，如圖6所示。

廣東工業(yè)大學(xué)的楊旸等[22]采用極差分析法分析各因素對(duì)激光蝕刻質(zhì)量的影響程度，并得到毛細(xì)壓力和形貌良好的復(fù)合溝槽。

激光刻蝕加工過程無污染，加工工具與工件之間為非接觸的形式，在工件表面直接刻蝕，加工效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的微細(xì)加工，可用于大批量生產(chǎn)。但激光刻蝕會(huì)對(duì)工件造成一定程度的熔化、損傷，由于工件是浸泡在刻蝕劑中，工件的導(dǎo)熱性可能會(huì)造成不必要的刻蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

微型溝槽型熱管熱響應(yīng)快、質(zhì)量輕，符合當(dāng)今電子器件高性能、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，具有很大的應(yīng)用潛力。不同微溝槽的加工技術(shù)具有各自的特點(diǎn)，機(jī)械加工效率高、工藝簡(jiǎn)單，但加工過程中存在較大的應(yīng)力，工具易損耗，采用拉拔工藝后的熱管管壁較厚。微細(xì)電解加工具有靈活性，可以加工出不同形狀的微溝槽，但加工效率較低，對(duì)設(shè)備等要求較高。激光刻蝕技術(shù)作為一種特殊的制造工藝，加工效率較高，但需要采用硅、特殊氧化物等材料，成本較高。在現(xiàn)有的研究中，大多數(shù)的加工技術(shù)都是適用于平板熱管的微溝槽加工，由于工藝的限制，用于圓形熱管的微溝槽加工技術(shù)較少，加工更小型的溝槽型微熱管的技術(shù)還有很大的進(jìn)步空間。因此，改進(jìn)現(xiàn)有的工藝，探索制造微溝槽的新工藝，制造出理想的微溝槽，是促進(jìn)溝槽型熱管朝著微型化、高性能化發(fā)展的關(guān)鍵。