周漪清，陳平

（1.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 江門 529090；2.廣州華鉆電子科技有限公司，廣州 510700）

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)品越來越普及，電子產(chǎn)品的體積越來越小，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，尤其是隨著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[1—3]。

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。

圖1 均熱板熱流交換原理Fig.1 Heat flow exchange principle of vapor chamber

均溫板又稱均熱板，簡稱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。

1 均熱板國內(nèi)外研究現(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。

圖2 蒸汽腔的傳熱熱阻隨蒸汽腔厚度的變化[2]Fig.2 Thermal resistance of the vapor core versus the variation of vapor core thickness

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]。因市場電子產(chǎn)品的體積越來越小，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┫嘧兊淖饔茫瑹峁芎蚔C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)行了熱測試。

圖3 常用的吸液芯微觀結(jié)構(gòu)[2]Fig.3 Microstructure of common wick

圖4 超薄環(huán)路熱管內(nèi)部回形吸液芯結(jié)構(gòu)及紅外測試圖[5]Fig.4 Structure and infrared measurement of inner loop wick in ultra-thin loop heat pipe

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。

2 輕質(zhì)材料超薄均熱板的研究現(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，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，用萬能試驗(yàn)機(jī)測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的情況下水壓檢測無泄漏，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、剪切測試和顯微硬度測試來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%。

圖5 保溫時(shí)間相同，溫度不同的兩鋁合金擴(kuò)散焊界面晶相圖（5083）[19]Fig.5 Phase diagram of diffusion bonding interface between two aluminum alloys with the same holding time and different temperatures (5083)

3 當(dāng)前超薄均熱板研究存在的問題

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。

4 未來超薄均熱板的發(fā)展趨勢

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

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)1500萬～2000萬部，2021年預(yù)計(jì)突破1億部。未來手機(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)。

圖6 用于制備吸液芯的鋁粉燒結(jié)試驗(yàn)Fig.6 Sintering test of aluminum powder for preparing wick

4.3 國內(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、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，韓國的三星，日本古河電工（Furukawa electric）和藤倉電子（Fujikura）等。在國家產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)下，國內(nèi)一批高新企業(yè)破繭而出，近年來國內(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內(nèi)高端電子產(chǎn)品的散熱器件，如位于國家級(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)400萬套各類電子散熱器的生產(chǎn)制造能力，目前已為國內(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，華鉆電子公司與國內(nèi)多所高等院校合作，建立了長期穩(wěn)定的合作機(jī)制，保證了產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新活動(dòng)長期有序開展。

圖7 華鉆電子常規(guī)的GPU/CPU均熱板（2～5 mm）Fig.7 Conventional vapor chamber for GPU/CPU made by Huazuan Elect.Tech.Co., Ltd.(2～5 mm)

圖8 華鉆電子新一代筆記本超薄均熱板Fig.8 New generation ultra-thin vapor chamber for notebook made by Huazuan Elect.Tech.Co., Ltd.

圖9 華鉆電子大功率基站（RRU）用超導(dǎo)熱環(huán)路均熱板Fig.9 Superconducting thermal loop vapor chamber for high power base station (RRU) made by Huazuan Elect.Tech.Co., Ltd.

圖10 華鉆電子筆記本用超導(dǎo)熱均熱板模組（0.8 mm）Fig.10 Superconducting thermal vapor chamber module for notebook made by Huazuan Elect.Tech.Co., Ltd.(0.8 mm)

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)致其熱流密度越來越高，電子器件對(duì)散熱的要求越來越高，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。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)品散熱器件將迎來升級(jí)換代，并能通過技術(shù)和成本優(yōu)勢迅速占領(lǐng)市場，獲得巨大的利潤，其前景非常廣闊。

5 結(jié)論

隨著5G產(chǎn)品的問世與普及，超薄均熱板的需求越來越大，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，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，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)品散熱器將迎來升級(jí)換代。