均熱板在移動產(chǎn)品中的應用研究

在輕薄小型化的便攜設(shè)備中，水漲船高的高功率芯片所產(chǎn)生的非均勻分布熱點散熱問題，已經(jīng)嚴重影響設(shè)備的效率、穩(wěn)定和可靠的運行壽命，日益凸顯的“熱障”問題對摩爾定律提出了重要挑戰(zhàn)，高性能高效散熱技術(shù)在移動設(shè)備中的應用迫在眉睫。本文針對均熱板技術(shù)較傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢，探討超薄均熱板在熱流密度越來越大的便攜移動設(shè)備中升級換代的應用，論述了發(fā)展過程中的問題和方向。

2017年，IBM宣布已經(jīng)突破了5 nm制程的芯片制造技術(shù)，這使得一個指甲蓋大小的單個芯片上的晶體管數(shù)量可以高達300億個，其計算性能將得到大幅提升。而對小制程的追求源于芯片高度集成化和輕量化發(fā)展的趨勢，芯片的高度集成化導致其發(fā)熱問題日益嚴峻。小型化移動終端內(nèi)部產(chǎn)生的超高熱量，需要有更好的導熱件來滿足高熱流密度的傳熱需求，散熱問題成為制約該類產(chǎn)品發(fā)展的核心要素之一。

1均熱板介紹

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)而將熱量迅速擴散到腔體，在冷凝端，工質(zhì)冷凝為液體后，通過毛細力、重力又回流到熱源端。（如圖1所示）

圖1 均熱板內(nèi)部工作機理和結(jié)構(gòu)

均熱板就是上述這種典型的相變導熱器件，相變傳熱元件的熱導率遠超傳統(tǒng)散熱器件的熱導率（如圖2所示），其熱導率（大于 5000 W/(m 2 · ) ℃ ）可以達到傳統(tǒng)導熱方式的幾十倍以上（空氣對流、液體對流的導熱系數(shù)分別為10100，1001000 W/(m 2 ·℃)）。另外，由于均熱板為二維面與面熱傳導，與熱管為一維線性的熱傳導相比，均溫板熱傳遞的效率更高（如圖3所示）。由于其良好的導熱性能，被廣泛應用于高熱流密度的電子芯片散熱，如智能手機芯片、筆記本和服務器等產(chǎn)品，是解決當前高熱流密度問題的最佳方式。

圖2 不同散熱材料/器件的導熱效率

圖3 均熱板與熱管的散熱機制

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

移動便攜設(shè)備（尤其是手機）體積越來越小，為了提高散熱效果，均采用相變導熱器件（如圖4所示）。而手機機體總厚度下降到8 mm以下時，迫切需要超薄均熱板，尤其是總厚度 0.8 mm 以下的均熱板，這樣的超薄均熱板其內(nèi)部腔體厚度已經(jīng)下降到了極限，導致蒸汽腔的熱阻陡然上升。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，當均熱板厚度下降到一定程度時，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。

圖4 均熱板組合散熱成為主流

近年來，均熱板技術(shù)演進方向主要集中于以下幾個方面：一是均熱板選材多樣化，受益于中框-VC一體化散熱解決方案，不銹鋼VC嶄露頭角；二是封裝工藝正在變革，激光封裝有望替代鍍銅釬焊封裝制程；三是超薄VC銅網(wǎng)燒結(jié)毛細制程有望被打破，毛細制程多樣化，印刷毛細與半導體光罩蝕刻毛細嶄露頭角；四是厚度進一步下探，VC均熱板有望薄至0.3mm以下（如圖5所示）。

學術(shù)界對普通銅質(zhì)均熱板的研究比較深入，大多數(shù)文獻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。目前均熱板其材質(zhì)主要采用銅質(zhì)，對于鋁質(zhì)材料的熱管和均熱板，目前學術(shù)界研究的成果還非常少，可以查閱的文獻不多。

隨著先進制造、綠色制造等先進理念深入人心，學術(shù)界加大了輕質(zhì)材料焊接工藝的研究，如李維偉對 5083 鋁合金擴散焊接工藝進行了研究。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)生是鋁合金擴散焊接的關(guān)鍵要素。鋁合金焊接采用擴散焊方法是可行的，缺點是耗時長，效率低。

于前采用真空擴散焊對 AZ91鎂合金/7075 鋁合金進行了擴散連接，對焊接接頭進行金相顯微組織分析，并利用顯微硬度計和微機控制電子萬能試驗機對接頭界面擴散區(qū)的顯微硬度和接頭抗剪強度進行分析。

牛志偉對鋁合金6063 微流道散熱板采用了真空擴散焊，并研究了鋁合金擴散焊界面的組織形態(tài)及界面結(jié)合力，以及擴散焊接頭的微觀組織及力學性能。

3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。制造過程中需要成本低廉，且成熟有效的成形工藝。

2）采用鋁鎂材料的均熱板制作工藝研究不足。因為鋁鎂合金的表面極易氧化，焊接困難。目前主要采用氣氛擴散焊工藝，但是對于超薄型輕質(zhì)材料的擴散焊接，目前的研究成果還非常少，尤其是對材料壁厚度為 0.2 mm 鋁合金材料的焊接，幾乎是空白，沒有可查閱的文獻。

3）超薄均熱板吸液芯需進一步優(yōu)化，需要進一步優(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。

4）傳統(tǒng)數(shù)值仿真模型誤差大。超薄化對 VC 板傳熱帶來的熱質(zhì)傳遞特性變化研究不足，文獻比較少。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較少。

4結(jié)論

未來，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。另外，輕量化趨勢推動超薄均熱板也會逐步采用鋁鎂合金等輕質(zhì)材料。隨著先進制造、輕量化制造工藝的成熟，輕質(zhì)超薄均熱板有著廣闊的應用前景，移動電子產(chǎn)品散熱器將迎來升級換代。

來源：移動室技術(shù)交流平臺

審核編輯：湯梓紅