超薄均溫板的性能影響因素與未來發(fā)展探討

2019年起，多家智能手機制造商發(fā)布了5G智能手機。5G網(wǎng)絡的高頻高速特性，加之手機處理器性能的不斷攀升以及在線視頻和游戲成為高頻次應用都在推高智能手機的功耗，導致散熱設計備受重視。細/薄熱管和超薄蒸汽室（Ultra thin Vapor Chamber，簡稱UTVC）廣泛應用于5G智能手機，幫助快速擴散CPU熱量。

細/薄熱管和超薄蒸汽室在生命周期中的性能可靠性，將影響智能手機的散熱表現(xiàn)。下面的內(nèi)容來自于日本技術(shù)團隊在2019年的研究探索，也許對如何正確制造UTVC能給大家一些啟示。

生命周期的可靠性

熱管和蒸汽室（Vapor Chamber）都是無源的導熱元件，它們完全密封并且沒有活動部件，在遵從正確的制造工藝下，它們具有長期穩(wěn)定工作的可靠性。它們的壽命可靠性可能因以下原因而下降：

• 真空腔內(nèi)部不干凈；操作不當?shù)某檎婵栈蛱畛涔ぷ饕哼^程產(chǎn)生氣體。

• 真空腔材料和工作液不相容，或材料和工作液中存在的雜質(zhì)，在長期運行中由于化學反應產(chǎn)生不凝性氣體或腐蝕腔體材料和吸液芯，導致熱性能下降。

• 不凝性氣體（NCG）積聚在熱管或蒸汽室中，阻礙蒸汽流的擴散，降低可用于熱傳遞的有效冷凝面積。

相對于熱管，NCG對蒸汽室的性能影響更大，原因在于蒸汽室的表面積與內(nèi)部空間的比值（面積/體積）比傳統(tǒng)熱管大。借助UTVC（內(nèi)部高度為0.2mm）和6mm圓形熱管兩者特殊案例的研究比對，表1顯示UTVC在這種情況下，蒸汽室的表面積與內(nèi)部體積的比率可能比圓形熱管高一個數(shù)量級。表面積越大，腔體材料與工作液之間的化學反應越強烈。

研究案例中，內(nèi)部高度為0.2mm，長度為140mm，寬度為70mm的超薄蒸汽室表面積為1.966 x10∧（-2）㎡，體積為1.96 x 10∧（-6）m3，面積/體積比值為10029，是6mm圓形熱管的13.5倍。

表1：比較超薄蒸汽室及普通圓形熱管表面積與內(nèi)部空間的比值

早在1987年，Murakami等研究者給出了大部分NCG是在初始階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型。圖1顯示，大部分NCG是在初始階段產(chǎn)生的，后期生成的NCG非常有限。他們從直徑為6.35mm，總長度為250mm（加熱長度為50mm）的銅水軸向溝槽熱管中收集了NCG的生成數(shù)據(jù)，在40℃、60℃和160℃的加速老化溫度下總共測試了60個樣品。樣品研究表明，如果可以消除最初生成的NCG，那么在長期運行中，將很少或沒有NCG生成。

圖1：銅水熱管壽命測試數(shù)據(jù)

為了證明這種現(xiàn)象，Murakami在初始加熱和測量溫度下降后分別對熱管進行了測試，接著對熱管重新抽真空并再次進行測試。圖2的結(jié)果顯示，重新抽真空后，熱管溫差保持恒定。

圖2：銅水熱管壽命測試數(shù)據(jù)

對于計算機、功率電源設備和一般電子產(chǎn)品，大多數(shù)蒸汽室是由銅和與其相容的液態(tài)水制成的。選擇水作為工作液，是因為水較高的潛熱和具有在電子設備50-150℃工作范圍內(nèi)的性能優(yōu)勢，另外水也是環(huán)境友好的流體。針對移動設備，蒸汽室需要薄且輕，因而銅材料的柔軟性可能會導致機械結(jié)構(gòu)的完整性問題。

蒸汽室的應用

下面，圖3顯示了應用于計算機等電子產(chǎn)品散熱的常規(guī)冷卻技術(shù)?，F(xiàn)在，熱管用于臺式機、筆記本電腦和超極本的散熱。某些情況下，如果需要高性能散熱設計，將考慮使用蒸汽室。

圖3：計算機等電子設備的常規(guī)冷卻技術(shù)

目前，已經(jīng)有制造商在輕薄的平板電腦和智能手機中使用細熱管冷卻技術(shù)，這些薄熱管的厚度為0.5mm，圖4所示。廠商將在2019年推出5G智能手機，這將需要更高的散熱能力，除非使用多個熱管，否則現(xiàn)階段的細熱管可能無法有效地將熱量散發(fā)出去。某些智能手機制造商（例如LG）考慮在智能手機中應用UTVC，因為UTVC具有較大的表面積，可以更有效地在X-Y方向上擴散熱量。對于薄型高功率電子設備，這種超薄蒸汽室可能是非常必要的，從細熱管轉(zhuǎn)換為超薄蒸汽室的手機應用模型如圖5所示。

圖4：在輕薄平板電腦與手機中使用薄熱管的部分案例

圖5：在5G手機中使用超薄VC的示例

總結(jié)

• 蒸汽室內(nèi)部空間的最小高度限制約為0.1mm，（假設頂板和底板的厚度為0.1mm，即最小蒸汽室厚度約為0.3mm，需要進一步研究如何將吸液芯集成到板上后的總厚度為0.1mm）。

• 0.1mm高度空間蒸汽室的最大熱傳遞量將只有有限的幾瓦。

• 由于現(xiàn)階段技術(shù)的限制，設計制造的0.3mm蒸汽室，不太可能有熱性能的顯著改善。或許需要納米結(jié)構(gòu)的吸液芯，來提高蒸發(fā)區(qū)的親水性和冷凝區(qū)的疏水性以便進一步提高性能。

• 當內(nèi)部空間高度減小時，其他限制例如粘性極限會對傳熱產(chǎn)生重大影響，因此需要計算這些限制并在設計中加以考慮。

• 在相同形狀下比較，蒸汽室的等效導熱系數(shù)或熱擴散性能遠勝于任何目前已知的散熱/導電材料。

• 預期超薄蒸汽室可能在薄型大功率設備的冷卻上變得越來越有必要。

• 不凝性氣體（NCG）可能會產(chǎn)生嚴重的不良影響，細熱管和蒸汽室表面積大但內(nèi)部體積小，因此少量的NCG可占大體積比

• 信息來源：Frontiers in Heat and Mass Transfer (FHMT), 13, 12 (2019)

• DOI: 10.5098/hmt.13.12

• 內(nèi)容節(jié)選自原文：Masataka Mochizuki  , Thang Nguyen ,"REVIEW OF VARIOUS THIN HEAT SPREADER VAPOR CHAMBER DESIGNS, PERFORMANCE, LIFETIME RELIABILITY AND APPLICATION"

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