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超薄均溫板的性能影響因素與未來(lái)發(fā)展探討

2019年起，多家智能手機(jī)制造商發(fā)布了5G智能手機(jī)。5G網(wǎng)絡(luò)的高頻高速特性，加之手機(jī)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(yīng)用都在推高智能手機(jī)的功耗，導(dǎo)致散熱設(shè)計(jì)備受重視。細(xì)/薄熱管和超薄蒸汽室（Ultra thin Vapor Chamber，簡(jiǎn)稱(chēng)UTVC）廣泛應(yīng)用于5G智能手機(jī)，幫助快速擴(kuò)散CPU熱量。

細(xì)/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(jī)的散熱表現(xiàn)。下面的內(nèi)容來(lái)自于日本技術(shù)團(tuán)隊(duì)在2019年的研究探索，也許對(duì)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(wú)源的導(dǎo)熱元件，它們完全密封并且沒(méi)有活動(dòng)部件，在遵從正確的制造工藝下，它們具有長(zhǎng)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(dāng)?shù)某檎婵栈蛱畛涔ぷ饕哼^(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行中由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不凝性氣體或腐蝕腔體材料和吸液芯，導(dǎo)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(kuò)散，降低可用于熱傳遞的有效冷凝面積。

相對(duì)于熱管，NCG對(duì)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(duì)，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(gè)數(shù)量級(jí)。表面積越大，腔體材料與工作液之間的化學(xué)反應(yīng)越強(qiáng)烈。

研究案例中，內(nèi)部高度為0.2mm，長(zhǎng)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(zhǎng)度為250mm（加熱長(zhǎng)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(cè)試了60個(gè)樣品。樣品研究表明，如果可以消除最初生成的NCG，那么在長(zhǎng)期運(yùn)行中，將很少或沒(méi)有NCG生成。

圖1：銅水熱管壽命測(cè)試數(shù)據(jù)

為了證明這種現(xiàn)象，Murakami在初始加熱和測(cè)量溫度下降后分別對(duì)熱管進(jìn)行了測(cè)試，接著對(duì)熱管重新抽真空并再次進(jìn)行測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)于計(jì)算機(jī)、功率電源設(shè)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?yàn)樗^高的潛熱和具有在電子設(shè)備50-150℃工作范圍內(nèi)的性能優(yōu)勢(shì)，另外水也是環(huán)境友好的流體。針對(duì)移動(dòng)設(shè)備，蒸汽室需要薄且輕，因而銅材料的柔軟性可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的完整性問(wèn)題。

蒸汽室的應(yīng)用

下面，圖3顯示了應(yīng)用于計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品散熱的常規(guī)冷卻技術(shù)。現(xiàn)在，熱管用于臺(tái)式機(jī)、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(shè)計(jì)，將考慮使用蒸汽室。

圖3：計(jì)算機(jī)等電子設(shè)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(jī)中使用細(xì)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(jī)，這將需要更高的散熱能力，除非使用多個(gè)熱管，否則現(xiàn)階段的細(xì)熱管可能無(wú)法有效地將熱量散發(fā)出去。某些智能手機(jī)制造商（例如LG）考慮在智能手機(jī)中應(yīng)用UTVC，因?yàn)閁TVC具有較大的表面積，可以更有效地在X-Y方向上擴(kuò)散熱量。對(duì)于薄型高功率電子設(shè)備，這種超薄蒸汽室可能是非常必要的，從細(xì)熱管轉(zhuǎn)換為超薄蒸汽室的手機(jī)應(yīng)用模型如圖5所示。

圖4：在輕薄平板電腦與手機(jī)中使用薄熱管的部分案例

圖5：在5G手機(jī)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(shè)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(jìn)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(shè)計(jì)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(lái)提高蒸發(fā)區(qū)的親水性和冷凝區(qū)的疏水性以便進(jìn)一步提高性能。

• 當(dāng)內(nèi)部空間高度減小時(shí)，其他限制例如粘性極限會(huì)對(duì)傳熱產(chǎn)生重大影響，因此需要計(jì)算這些限制并在設(shè)計(jì)中加以考慮。

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

• 預(yù)期超薄蒸汽室可能在薄型大功率設(shè)備的冷卻上變得越來(lái)越有必要。

• 不凝性氣體（NCG）可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響，細(xì)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(lái)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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