超薄均温板的性能(néng)影响因素与未来发展探讨

2019年起，多(duō)家智能(néng)手机制造商(shāng)发布了5G智能(néng)手机。5G网络的高频高速特性，加之手机处理(lǐ)器性能(néng)的不断攀升以及在線(xiàn)视频和游戏成為(wèi)高频次应用(yòng)都在推高智能(néng)手机的功耗，导致散热设计备受重视。细/薄热管和超薄蒸汽室（Ultra thin Vapor Chamber，简称UTVC）广泛应用(yòng)于5G智能(néng)手机，帮助快速扩散CPU热量。

细/薄热管和超薄蒸汽室在生命周期中的性能(néng)可(kě)靠性，将影响智能(néng)手机的散热表现。下面的内容来自于日本技术团队在2019年的研究探索，也许对如何正确制造UTVC能(néng)给大家一些启示。

生命周期的可(kě)靠性

热管和蒸汽室（Vapor Chamber）都是无源的导热元件，它们完全密封并且没有(yǒu)活动部件，在遵从正确的制造工艺下，它们具有(yǒu)長(cháng)期稳定工作的可(kě)靠性。它们的寿命可(kě)靠性可(kě)能(néng)因以下原因而下降：

• 真空腔内部不干净；操作不当的抽真空或填充工作液过程产生气體(tǐ)。

• 真空腔材料和工作液不相容，或材料和工作液中存在的杂质，在長(cháng)期运行中由于化學(xué)反应产生不凝性气體(tǐ)或腐蚀腔體(tǐ)材料和吸液芯，导致热性能(néng)下降。

• 不凝性气體(tǐ)（NCG）积聚在热管或蒸汽室中，阻碍蒸汽流的扩散，降低可(kě)用(yòng)于热传递的有(yǒu)效冷凝面积。

相对于热管，NCG对蒸汽室的性能(néng)影响更大，原因在于蒸汽室的表面积与内部空间的比值（面积/體(tǐ)积）比传统热管大。借助UTVC（内部高度為(wèi)0.2mm）和6mm圆形热管两者特殊案例的研究比对，表1显示UTVC在这种情况下，蒸汽室的表面积与内部體(tǐ)积的比率可(kě)能(néng)比圆形热管高一个数量级。表面积越大，腔體(tǐ)材料与工作液之间的化學(xué)反应越强烈。

研究案例中，内部高度為(wèi)0.2mm，長(cháng)度為(wèi)140mm，宽度為(wèi)70mm的超薄蒸汽室表面积為(wèi)1.966 x10∧（-2）㎡，體(tǐ)积為(wèi)1.96 x 10∧（-6）m³，面积/體(tǐ)积比值為(wèi)10029，是6mm圆形热管的13.5倍。

表1：比较超薄蒸汽室及普通圆形热管表面积与内部空间的比值

早在1987年，Murakami等研究者给出了大部分(fēn)NCG是在初始阶段产生的数据模型。图1显示，大部分(fēn)NCG是在初始阶段产生的，后期生成的NCG非常有(yǒu)限。他(tā)们从直径為(wèi)6.35mm，总長(cháng)度為(wèi)250mm（加热長(cháng)度為(wèi)50mm）的铜水轴向沟槽热管中收集了NCG的生成数据，在40℃、60℃和160℃的加速老化温度下总共测试了60个样品。样品研究表明，如果可(kě)以消除最初生成的NCG，那么在長(cháng)期运行中，将很(hěn)少或没有(yǒu)NCG生成。

图1：铜水热管寿命测试数据

為(wèi)了证明这种现象，Murakami在初始加热和测量温度下降后分(fēn)别对热管进行了测试，接着对热管重新(xīn)抽真空并再次进行测试。图2的结果显示，重新(xīn)抽真空后，热管温差保持恒定。

图2：铜水热管寿命测试数据

对于计算机、功率電(diàn)源设备和一般電(diàn)子产品，大多(duō)数蒸汽室是由铜和与其相容的液态水制成的。选择水作為(wèi)工作液，是因為(wèi)水较高的潜热和具有(yǒu)在電(diàn)子设备50-150℃工作范围内的性能(néng)优势，另外水也是环境友好的流體(tǐ)。针对移动设备，蒸汽室需要薄且轻，因而铜材料的柔软性可(kě)能(néng)会导致机械结构的完整性问题。

蒸汽室的应用(yòng)

下面，图3显示了应用(yòng)于计算机等電(diàn)子产品散热的常规冷却技术。现在，热管用(yòng)于台式机、筆(bǐ)记本電(diàn)脑和超极本的散热。某些情况下，如果需要高性能(néng)散热设计，将考虑使用(yòng)蒸汽室。

图3：计算机等電(diàn)子设备的常规冷却技术

目前，已经有(yǒu)制造商(shāng)在轻薄的平板電(diàn)脑和智能(néng)手机中使用(yòng)细热管冷却技术，这些薄热管的厚度為(wèi)0.5mm，图4所示。厂商(shāng)将在2019年推出5G智能(néng)手机，这将需要更高的散热能(néng)力，除非使用(yòng)多(duō)个热管，否则现阶段的细热管可(kě)能(néng)无法有(yǒu)效地将热量散发出去。某些智能(néng)手机制造商(shāng)（例如LG）考虑在智能(néng)手机中应用(yòng)UTVC，因為(wèi)UTVC具有(yǒu)较大的表面积，可(kě)以更有(yǒu)效地在X-Y方向上扩散热量。对于薄型高功率電(diàn)子设备，这种超薄蒸汽室可(kě)能(néng)是非常必要的，从细热管转换為(wèi)超薄蒸汽室的手机应用(yòng)模型如图5所示。

图4：在轻薄平板電(diàn)脑与手机中使用(yòng)薄热管的部分(fēn)案例

图5：在5G手机中使用(yòng)超薄VC的示例

总结

• 蒸汽室内部空间的最小(xiǎo)高度限制约為(wèi)0.1mm，（假设顶板和底板的厚度為(wèi)0.1mm，即最小(xiǎo)蒸汽室厚度约為(wèi)0.3mm，需要进一步研究如何将吸液芯集成到板上后的总厚度為(wèi)0.1mm）。

• 0.1mm高度空间蒸汽室的最大热传递量将只有(yǒu)有(yǒu)限的几瓦。

• 由于现阶段技术的限制，设计制造的0.3mm蒸汽室，不太可(kě)能(néng)有(yǒu)热性能(néng)的显著改善。或许需要纳米结构的吸液芯，来提高蒸发區(qū)的亲水性和冷凝區(qū)的疏水性以便进一步提高性能(néng)。

• 当内部空间高度减小(xiǎo)时，其他(tā)限制例如粘性极限会对传热产生重大影响，因此需要计算这些限制并在设计中加以考虑。

• 在相同形状下比较，蒸汽室的等效导热系数或热扩散性能(néng)遠(yuǎn)胜于任何目前已知的散热/导電(diàn)材料。

• 预期超薄蒸汽室可(kě)能(néng)在薄型大功率设备的冷却上变得越来越有(yǒu)必要。

• 不凝性气體(tǐ)（NCG）可(kě)能(néng)会产生严重的不良影响，细热管和蒸汽室表面积大但内部體(tǐ)积小(xiǎo)，因此少量的NCG可(kě)占大體(tǐ)积比

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

• DOI: 10.5098/hmt.13.12

• 内容节选自原文(wén)：Masataka Mochizuki  , Thang Nguyen ,"REVIEW OF VARIOUS THIN HEAT SPREADER VAPOR CHAMBER DESIGNS, PERFORMANCE, LIFETIME RELIABILITY AND APPLICATION"

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