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超薄微熱管:可攜式電子產品散熱應用

作者:呂錫民

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【大紀元2020年01月14日訊】小型化和高密度封裝電子產品,需要緊湊且具高效散熱部件。扁平超薄微熱管非常適合高功率和有限空間散熱,目前已經廣泛研究並應用在可攜式電子產品。隨著微電子技術和電信業快速發展,各種電子設備應用正在如火如荼進行,特別是諸如智慧型手機或平板電腦的超薄可攜式電子設備。它們具有高性能、輕量化和小型化的共同特徵,特別需要在有限散熱空間中,製造具有高熱流、高功率的電子晶片。手機的應用發展就是最好例子。近年來智慧型手機的中央處理器功耗一直在不斷增加。其中Qualcomm® SnapdragonTM 820, 835和845是過去兩年中用於智慧型手機的三款最成功CPU,其滿載功耗約在3-5W。然而,由於需要更輕、更薄的智慧型手機,因此形成散熱空間越來越減小。

在沒有高效熱控制情況下,高功率和高度組成電子晶片,將導致電子設備每單位面積熱量的顯著增加。此外,大量熱流被封裝在一個超薄包裝空間中,明顯超出傳統空氣冷卻對流的範疇,尤其是在惡劣的熱環境下,顯著降低電子元件的產品可用性和操作可靠性。因此,開發高性能熱管理解決方案迫切需要,以便冷卻高功率、緊湊型的可攜式電子設備,例如超薄智慧型手機。

近年來,具有高面內傳熱係數(1600W /m•K)的石墨片與金屬板(如鎂、鋁、不銹鋼、銅等)結合使用,以便冷卻可攜式電子設備。其中厚度(0.017mm)石墨片特別適用於超薄電子設備的散熱。然而,該解決方案具有高散熱性的限制,並且當考慮大批量生產時,石墨的成本仍然是瓶頸。

作為高效的兩相傳熱裝置,微熱管因其顯著的熱性能和高可靠性,因此廣泛用在高功率密度電子元件的熱控制。它們已經成為一種非常優選的解決方案,也是桌上型電腦、筆記型電腦、航太部件和發光二極體模組等普通電子設備的主要散熱方法,基本上,微熱管可提供溫度均勻性,並消除這類設備產生局部熱點。

然而,隨著電子設備變得更為緊湊、更輕、更薄,使得更有限空間明顯限制散熱部件尺寸。尤其是傳統微熱管,包括圓柱形和板式熱管,無法滿足使用要求。因應可攜式電子產品發展要求,產學界已經提出並廣泛研究超薄微熱管的應用。

過去三年中,超薄微熱管出版物迅速增加,大部分超薄微熱管研究領域集中在1.0-1.5mm厚度範圍。然而,隨著智慧型手機的迅速發展和普及,厚度低於0.6mm的超薄微熱管已成為當前研究焦點。

在實際生產應用中,超薄微熱管被定義為總厚度小於2.0mm的微板式熱管。超薄微熱管特別適用於超薄可攜式電子設備的散熱,因為它們很薄並且可以緊密地貼合在電子元件的表面上。因此,它們廣泛用於攜帶式和可穿戴式電子設備,如智慧型手機、筆記型電腦、智能手錶。

但是,不同的電子設備要求超薄微熱管具有不同的厚度和傳熱能力。例如,用於筆記型電腦和平板電腦的超薄微熱管厚度分別為1-2mm和0.8-1.2mm,其傳熱能力應高於20W。此外,對於智慧型手機或智能手錶,超薄微熱管的厚度和傳熱能力分別為0.4-0.6mm和5W以上。目前,根據工作原理,超薄微熱管可分為超薄板式熱管和超薄環熱管。

平板式熱管是低厚度腔室,內部填充兩相工作流體。根據封裝形式,它可以分為板式熱管和蒸汽室。板式熱管通常透過傳統圓柱形熱管的扁平化直接製造而成,其組成和操作原理類似於微熱管。基本上,板式熱管由三部分組成:蒸發器部分、冷凝器部分和絕熱部分,後者連接前兩者。板式熱管的製造過程高效且靈活;然而,板式熱管的某些特質,例如小的外表面積和單一形狀,使它們成為智慧型手機和平板電腦等小型可攜式電子設備上的主要散熱應用。

熱管工作原理

蒸汽室由密閉容器組成,其內壁覆蓋芯結構,蒸發器和冷凝器位於密閉容器相對側。蒸汽室是電子散熱器的理想選擇,因為它們重量輕,幾何柔韌性,具有非常高的導熱性。它們通常用於高局部性熱流的均勻擴散,因為它們具有均勻的溫度分佈和大的冷凝面積。

作為一種多功能和潛在的熱傳輸裝置,從太空到陸地的各種工業領域,環熱管廣泛應用於電子設備的熱控制。與傳統熱管相比,環熱管具有的某些獨特特徵,例如長的熱傳輸距離、較低的熱阻、可靠的重力操作和設計靈活性,這使得環熱管特別適用於長距離熱傳輸的應用。隨著電子冷卻的快速發展,在有限散熱空間內與電子元件表面緊密接觸的特殊需求,使得的超薄環熱管的研究受到極大關注。

超薄環熱管的組成和操作類似於傳統環熱管的組成和操作。典型的環熱管由蒸發器、補償室、蒸汽輸送管線、冷凝器和液體返回管線組成。芯結構位於蒸發器和補償室中,而其餘的環部件由光滑的壁管製成,這可以降低流回蒸發器的工作液體的流動阻力。此外,環熱管具有單獨的蒸發器和冷凝器,因此消除可能發生的任何夾帶效應,並且可以攜帶更多的熱量。因此,除了在可攜帶式設備中的應用之外,超薄環熱管還用於動力電池熱管理系統。

芯結構是兩相傳熱裝置的核心部件,其提供毛細作用以驅動工作流體的一種密閉式循環,並具有維持液-氣相變化界面的功能。熱管的啟動和熱性能主要關鍵在於芯結構。因此,學界已經提出各種類型的芯結構來研究熱管的熱性能,其大致可分為三種類型:微槽芯結構,燒結芯結構和複合芯結構。芯的毛細管壓力和滲透性是兩相傳熱裝置的兩個關鍵參數,它們決定了傳熱性能和毛細管極限。然而,在不同的芯結構中,毛細管壓力和滲透性存在顯著差異。

隨著互聯網和移動通信技術的發展,對諸如智慧型手機、筆記型電腦等可攜式電子設備的需求,一直在快速增長。超薄可攜式設備的高性能和散熱之間的矛盾日益突出,但這也為超薄微熱管的開發和應用帶來機遇和挑戰。顯然,超薄微熱管的開發和應用受到許多因素的影響和限制,例如芯的毛細管性能低、缺乏有效的封裝工藝、產率低、高製造成本。此外,研究時間短和對超薄微熱管理論有限研究也是重要因素。

考慮到超薄微熱管目前的研究現狀和實際應用要求,應該進一步研究的議題建議如下:

首先是以表面處理改善芯結構的表面親水性。因為用於超薄微熱管的芯結構主要是由金屬材料製成,因此造成其光滑的表面,而表現出親水性的無效。利用表面氧化、化學腐蝕、電化學沉積等表面處理,可在表面形成微/奈米結構形態,以增強其親水性,從而增強芯結構的毛細管性能。

其次是開發超薄微熱管的新型封裝技術。封裝過程是製造超薄微熱管的關鍵步驟,直接影響熱管的傳熱性能和使用壽命。然而,傳統的圓柱形熱管和使用粘接技術的封裝工藝顯現許多缺點,嚴重限制超薄微熱管的應用和發展。形狀變形、外殼破裂和低密封性能是新型封裝過程應該力求解決的問題。

另外研究方向應該著眼於超薄扁平化熱管內部結構的優化。目前眾多研究結果顯示,超薄微熱管的最大傳熱能力隨著扁平厚度的減小而降低。由厚度扁平化引起的蒸汽和液體流道的體積變化是熱性能低的主要原因。因此,可以透過內部結構優化,重新分配蒸汽和液體通道的體積,以減小厚度扁平化對超薄微熱管的傳熱性能的影響。

最後是以金屬外殼開發靈活的超薄微熱管。與可攜式或穿戴式設備的結合,可撓式顯示技術的快速發展,也導致熱管理的要求。然而,所有當今發明的可撓式超薄微熱管的外殼材料通常是由聚合物製成,其導熱性表現得比金屬材料低。而且,金屬芯結構,例如燒結銅粉和網狀結構,無法與聚合物外殼一起燒結,如此顯著地增加熱阻,並降低超薄微熱管熱性能。

責任編輯:朱穎

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2020-01-14 4:45 AM
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