关键词：智能手机热管；无氧铜；拉拔工艺；组织演变；力学性能；导电率
随着电子产品的高功耗和轻携化发展，其芯片内部的热功耗和热密度越来越高，以当下典型的轻薄便携型电子产品———智能手机为例， 随着 5G 时代的到来，5G 智能手机的 SoC 芯片的热功耗普遍已达 3~5 Ｗ，其热功耗较 4G 智能手机增加了 2.5 倍，但是与此同时，整机厚度已减薄至 9 ｍｍ 以下，散热空间被限制得越来越小。因此，必须采用散热效率更高的冷却方法。热管利用导热介质在真空下实现气液相变来进行高效换热的过程，从而将发热端的热量传递至冷凝端，并能够实现热传递的不断循环。具有导热系数高、响应速度快、温度均匀性好、重量轻、体积小、无需额外能源驱动等显著优点，受限于轻薄便携型电子产品狭小的散热空间，超薄超细智能手机热管将成为解决目前微型电子设备高功耗散热的主要方案，有着十分广泛的应用前景。
热管由传热工质、毛细结构和管壳构成，微型热管所用的管壳一般采用无氧铜管，拉拔作为铜管的主要成形工艺， 一般采用游动芯头拉拔成形， 该成形工艺具有管材表面光洁度高、 尺寸控制精度高、 拉拔力小、 道次变形量大、 生产效率高的优势。
关于铜管拉拔成形工艺的研究已经较为深入，曾艳祥借助有限元分析软件对游动芯头拉拔和固定芯头拉拔进行对比分析，发现游动芯头的拉拔应力明显小于固定芯头，且周向残余应力值更小。刘劲松等借助有限元软件对 TP2 铜管的拉拔道次进行优化，并研究了多道次铜管拉拔的组织和力学性能演变。
王松伟等进一步研究发现，铜管在拉拔变形时内部织构发生转动，由原始轧制态 {001｝ <110>、{111}<110>织构转变为以 {110}<100>、{110}<111>为主的织构类型， 且孪晶显著减少。
目前铜管拉拔工艺研究集中在 TP2 铜管，且大多数管壁较厚，工艺已经相对较为成熟， 但对于热管用无氧铜管的研究并不多，特别是壁厚在 0.1 mm 以下的超薄超细无氧铜管。由于智能手机用无氧铜管径小、壁薄，不同于普通 TP2 铜管的拉拔成形，在普通盘拉成形机上拉拔容易拉断，且对拉拔模具的设计精度要求较高，需要对拉拔道次和加工量进行优化设计。
本文采用液压直拉机多道次拉拔成形出 Ф2 mm（外径）×0.08 ｍｍ（壁厚）规格的热管用超薄超细无氧铜管，并对各道次的铜管的组织结构、力学性能和导电性能的变化规律进行了研究。
01 试验方法
采用工频感应炉熔炼无氧铜，水平连铸出规格为 Φ92 mm×25 ｍｍ 的无氧铜管，铸坯成分分析结果表明铜纯度（质量分数）为 99.992％，磷含量为 14 ppm，铁含量为 10.8 ppm，氧含量为 4.1 ppm。无氧铜铸坯经三辊行星轧制、联拉、盘拉及在线退火后得到的 Ф8 ｍｍ×0.18 mm 的盘拉管作为本次试验的原始管坯（定义为 0 道次），取拉拔样品管 50 根。试验在图 1a 所示的液压直拉机进行多道次直拉，采用游动芯头拉拔，拉拔速度为40 m·min-1， 拉拔示意图如图 1b 所示， 通过文献并结合生产经验， 设计了各道次的变形量，如表 1 所示，共 8 道次。
图 1 液压拉拔机（a）和游动芯头拉拔示意图（b）
采用游标卡尺测量铜管外径，用壁厚千分尺测量管壁，各取 3 处不同位置来测量记录数据；采用 OLYMPUS 3D 激光共聚焦显微镜观察平行于拉拔方向（纵向）的铜管内壁微观组织（腐蚀后）；采用 AFFRIDM 2D 型显微硬度计测试铜管的维氏硬度值，载荷为 200g；采用 UTM6104 型万能试验机进行室温拉伸试验；采用 TX-300A 金属导体电阻率仪测试电导率。
02 试验结果与分析
2.1 拉拔试验
在拉拔试验过程中，进行 1~5道次拉拔时均未发生断管现象，可以顺利地完成拉拔试验，但是在第６道次拉拔时出现了频繁的断管问题，综合断管率为 92％，即使未发生断管继续拉拔，在第 7 道次拉拔时也均发生了断管现象，图 2 为第 6 道次拉拔断管实物照片。
图 2 第 6 道次拉拔断管实物图
（a） 拉管工装（b） 拉管模具
表 1 拉拔道次设计方案
经计算，拉拔至第 5 道次后，铜管的累计变形量达 75.85％，此时加工硬化程度较高，塑性加工能力大幅度下降。为了保证加工过程中不出现断管的情况，提升后续加工过程的塑性加工能力，在第 5 道次拉拔后将铜管放入管式炉中进行中间退火，采用氩气和氢气的混合气体保护，在 350℃保温30 min。退火完成后继续进行第 6、第 7 及第 8 道次拉拔直至完成制备 Ф2 ｍｍ×0.08 mm 规格的超薄超细无氧铜管。
图 3 为 Ф2 mm×0.08 mm 成品铜管的实物图和铜管横截面放大图。由于拉拔超薄超细铜管，铜管的尺寸公差控制相对普通铜管更为困难且严格。本次试验设计合理的拉拔道次，并通过抛光模具和微调模具尺寸，确保铜管在外径和壁厚上的公差以满足客户要求，测量铜管的外径和壁厚，结果如表 2 所示，铜管的平均外径为 Ф1.99 mm，公差可以控制在 ±0.02 mm；平均壁厚为 0.079 ｍｍ，公差可以控制在 ±0.01 ｍｍ。
表 2 Ф2 ｍｍ×0.08 ｍｍ 规格铜管样品尺寸测量（ｍｍ）
2.2 拉拔过程中晶粒组织的演变
图 4a 为原始盘拉管在线退火后的金相组织，退火后发生再结晶，形成了平均晶粒尺寸为 7.6 μｍ的等轴再结晶晶粒。图 4b～图 4f 为盘拉拔经过第 1～第 5 道次后的金相组织，第 1 道次拉拔后形成的晶粒组织中平均长纵比为 2.4，随着拉拔道次的增多，变形程度逐渐增大，变形后的晶粒组织中长纵比由 2.4 逐渐增大至 13.8。在第 5 道次拉拔后的晶粒组织基本贯穿整个金相视图的纤维晶，此时变形程度达到 75.8％，晶内已经形成了高密度的位错，继续变形则容易发生断管现象。因而在第 5 道次拉拔后进行低温短时间的退火（350℃ 保温 30 min）以提高后续继续变形时的塑性加工能力。图 4g 为退火后的金相组织，退火完成后形成了等轴的完全再结晶组织，平均晶粒尺寸为 11.3 μｍ。退火完成后进行第6～第 8 道次的拉拔，拉拔后金相组织分别如图 4h～图 4j 所示，在后续拉拔过程中变形程度逐渐增加，加工硬化程度逐渐增加，等轴的晶粒逐渐被拉长，形成的长轴晶粒组织的长纵比由 2.4 增加至 6.5。
图 4 无氧铜管在各拉拔道次的金相组织
（a）原始铜管（b）第 1 道次（c）第 2 道次（d）第 3 道次（e）第 4 道次（f）第 5 道次（g）中间退火（h）第 6 道次（i）第 7 道次（j）第 8 道次
2.3 拉拔过程中力学性能的演变
表 3 为各道次拉拔后的铜管室温拉伸的屈服强度、抗拉强度和伸长率，原始铜管的抗拉强度和伸长率为 244.2 ＭPa 和 24.11％， 经过第 1 道次拉拔后，铜管的抗拉强度迅速上升至 355.5 ＭPa，而伸长率下降至 5.13％。随着拉拔道次量的逐渐增加，抗拉强度逐渐升高，当拉拔至第 5 道次时，抗拉强度和屈服强度分别升高至 416.5 和 415.2 ＭPa，伸长率降低至 1.56％。拉拔过程中强度的逐渐增加是因为随着拉拔道次的增加，不断的变形使得晶内的位错密度逐渐增加，加工硬化程度不断提升。
而另一方面，晶内位错密度的增多导致室温拉伸过程中因位错密度过大而快速发生应力集中，使得铜管的伸长率逐渐降低。此外，同样因为位错增多，加工硬化程度过高导致管材的塑性变形能力减弱，达到临界值后继续拉拔而出现断管现象。中间退火后，晶粒发生回复再结晶，从力学数据也可以发现，强度降低，铜管软化，塑性提高，因此可以保证后续第 6、7、8 道次铜管的拉拔过程的进行，退火后抗拉强度和屈服强度分别降低至 222.6 和 176.2 ＭPa，伸长率快速增加至 26.56％。后续继续进行第 6～第 8道次的拉拔，加工硬度程度不断增加，抗拉强度和屈服强度逐渐升高至 403.8 和 402.9 ＭPa，伸长率下降至 1.78％。图 5 为室温拉伸的抗拉强度和维氏硬度随着拉拔道次变化的折线图，可以发现，各道次铜管的维氏硬度和抗拉强度的变化趋势一致。
图 5 拉拔过程中各道次拉拔后铜管维氏硬度和抗拉强度变化曲线
2.4 拉拔过程中导电率的演变
图 6 为各道次拉拔后的铜管的导电率变化曲线，可以发现， 原始铜管导电率达到 101.25％ IACS，经过第 1 道次拉拔后，导电率下降至 95.90％ IACS。继续拉拔变形，铜管的导电率平缓波动，说明铜管在第 1 道次变形之后的变形对导电率的影响不大。中间退火后，晶粒组织发生回复再结晶，导电率升高至 101.44％ IACS。退火后再进行第 6 道次拉拔，导电率下降至 98.58％ IACS，后续继进行第 7 和第 8 道次拉拔后，铜管的导电率变化不大，第 8 道次拉拔后最终制备的 Ф2 mm×0.08 ｍｍ 铜管的导电率为 98.85 IACS。因此可以认为，铜管的变形程度的增加对导电率的影响较小。根据 Matthiessen 定律，室温下主要是固溶原子对铜合金导电率的损害比较大，位错、晶界对铜合金导电率的影响不是很大，多道次拉拔也可以保证无氧铜管保持较高的导电性能。
03 结论
（1）无氧铜管经游动芯头拉拔变形后，维氏硬度和抗拉强度显著提高，而对电导率的影响比较小。经过 5 道次拉拔后，累计变形量为 75.8％，抗拉强度为 416.5 ＭPa，继续拉拔，铜管拉拔容易发生断管问题，综合断管率为 92％，但经 350℃保温 30 min的中间退火处理， 无氧铜管得以继续拉拔变形。
（2）无氧铜管在拉拔过程中，随着变形量的增加，沿拉拔方向逐渐变为细长的纤维组织。第 5 道次拉拔后，晶粒组织的长纵比由等轴晶逐渐拉长至 13.8；中间退火后，铜管拉拔至第 8 道次后，晶粒组织的长纵比由 2.4 增加至 6.5。
（3）通过采用液压直拉拉拔机，在经过 8 道次拉拔、1 次中间退火后，制备出抗拉强度为 403.8 ＭPa、伸长率为 1.78％、导电率为 98.85％ IACS、外径公差为 ±0.02 ｍｍ、壁厚公差为 ±0.01 ｍｍ 的 Ф2 ｍｍ×0.08 ｍｍ 规格的超薄超细智能手机无氧铜热管。
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