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超薄微热管:可携式电子产品散热应用

作者:吕锡民

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【大纪元2020年01月14日讯】小型化和高密度封装电子产品,需要紧凑且具高效散热部件。扁平超薄微热管非常适合高功率和有限空间散热,目前已经广泛研究并应用在可携式电子产品。随着微电子技术和电信业快速发展,各种电子设备应用正在如火如荼进行,特别是诸如智慧型手机或平板电脑的超薄可携式电子设备。它们具有高性能、轻量化和小型化的共同特征,特别需要在有限散热空间中,制造具有高热流、高功率的电子晶片。手机的应用发展就是最好例子。近年来智慧型手机的中央处理器功耗一直在不断增加。其中Qualcomm® SnapdragonTM 820, 835和845是过去两年中用于智慧型手机的三款最成功CPU,其满载功耗约在3-5W。然而,由于需要更轻、更薄的智慧型手机,因此形成散热空间越来越减小。

在没有高效热控制情况下,高功率和高度组成电子晶片,将导致电子设备每单位面积热量的显着增加。此外,大量热流被封装在一个超薄包装空间中,明显超出传统空气冷却对流的范畴,尤其是在恶劣的热环境下,显着降低电子元件的产品可用性和操作可靠性。因此,开发高性能热管理解决方案迫切需要,以便冷却高功率、紧凑型的可携式电子设备,例如超薄智慧型手机。

近年来,具有高面内传热系数(1600W /m•K)的石墨片与金属板(如镁、铝、不銹钢、铜等)结合使用,以便冷却可携式电子设备。其中厚度(0.017mm)石墨片特别适用于超薄电子设备的散热。然而,该解决方案具有高散热性的限制,并且当考虑大批量生产时,石墨的成本仍然是瓶颈。

作为高效的两相传热装置,微热管因其显着的热性能和高可靠性,因此广泛用在高功率密度电子元件的热控制。它们已经成为一种非常优选的解决方案,也是桌上型电脑、笔记型电脑、航太部件和发光二极体模组等普通电子设备的主要散热方法,基本上,微热管可提供温度均匀性,并消除这类设备产生局部热点。

然而,随着电子设备变得更为紧凑、更轻、更薄,使得更有限空间明显限制散热部件尺寸。尤其是传统微热管,包括圆柱形和板式热管,无法满足使用要求。因应可携式电子产品发展要求,产学界已经提出并广泛研究超薄微热管的应用。

过去三年中,超薄微热管出版物迅速增加,大部分超薄微热管研究领域集中在1.0-1.5mm厚度范围。然而,随着智慧型手机的迅速发展和普及,厚度低于0.6mm的超薄微热管已成为当前研究焦点。

在实际生产应用中,超薄微热管被定义为总厚度小于2.0mm的微板式热管。超薄微热管特别适用于超薄可携式电子设备的散热,因为它们很薄并且可以紧密地贴合在电子元件的表面上。因此,它们广泛用于携带式和可穿戴式电子设备,如智慧型手机、笔记型电脑、智能手表。

但是,不同的电子设备要求超薄微热管具有不同的厚度和传热能力。例如,用于笔记型电脑和平板电脑的超薄微热管厚度分别为1-2mm和0.8-1.2mm,其传热能力应高于20W。此外,对于智慧型手机或智能手表,超薄微热管的厚度和传热能力分别为0.4-0.6mm和5W以上。目前,根据工作原理,超薄微热管可分为超薄板式热管和超薄环热管。

平板式热管是低厚度腔室,内部填充两相工作流体。根据封装形式,它可以分为板式热管和蒸汽室。板式热管通常透过传统圆柱形热管的扁平化直接制造而成,其组成和操作原理类似于微热管。基本上,板式热管由三部分组成:蒸发器部分、冷凝器部分和绝热部分,后者连接前两者。板式热管的制造过程高效且灵活;然而,板式热管的某些特质,例如小的外表面积和单一形状,使它们成为智慧型手机和平板电脑等小型可携式电子设备上的主要散热应用。

热管工作原理

蒸汽室由密闭容器组成,其内壁覆盖芯结构,蒸发器和冷凝器位于密闭容器相对侧。蒸汽室是电子散热器的理想选择,因为它们重量轻,几何柔韧性,具有非常高的导热性。它们通常用于高局部性热流的均匀扩散,因为它们具有均匀的温度分布和大的冷凝面积。

作为一种多功能和潜在的热传输装置,从太空到陆地的各种工业领域,环热管广泛应用于电子设备的热控制。与传统热管相比,环热管具有的某些独特特征,例如长的热传输距离、较低的热阻、可靠的重力操作和设计灵活性,这使得环热管特别适用于长距离热传输的应用。随着电子冷却的快速发展,在有限散热空间内与电子元件表面紧密接触的特殊需求,使得的超薄环热管的研究受到极大关注。

超薄环热管的组成和操作类似于传统环热管的组成和操作。典型的环热管由蒸发器、补偿室、蒸汽输送管线、冷凝器和液体返回管线组成。芯结构位于蒸发器和补偿室中,而其余的环部件由光滑的壁管制成,这可以降低流回蒸发器的工作液体的流动阻力。此外,环热管具有单独的蒸发器和冷凝器,因此消除可能发生的任何夹带效应,并且可以携带更多的热量。因此,除了在可携带式设备中的应用之外,超薄环热管还用于动力电池热管理系统。

芯结构是两相传热装置的核心部件,其提供毛细作用以驱动工作流体的一种密闭式循环,并具有维持液-气相变化界面的功能。热管的启动和热性能主要关键在于芯结构。因此,学界已经提出各种类型的芯结构来研究热管的热性能,其大致可分为三种类型:微槽芯结构,烧结芯结构和复合芯结构。芯的毛细管压力和渗透性是两相传热装置的两个关键参数,它们决定了传热性能和毛细管极限。然而,在不同的芯结构中,毛细管压力和渗透性存在显着差异。

随着互联网和移动通信技术的发展,对诸如智慧型手机、笔记型电脑等可携式电子设备的需求,一直在快速增长。超薄可携式设备的高性能和散热之间的矛盾日益突出,但这也为超薄微热管的开发和应用带来机遇和挑战。显然,超薄微热管的开发和应用受到许多因素的影响和限制,例如芯的毛细管性能低、缺乏有效的封装工艺、产率低、高制造成本。此外,研究时间短和对超薄微热管理论有限研究也是重要因素。

考虑到超薄微热管目前的研究现状和实际应用要求,应该进一步研究的议题建议如下:

首先是以表面处理改善芯结构的表面亲水性。因为用于超薄微热管的芯结构主要是由金属材料制成,因此造成其光滑的表面,而表现出亲水性的无效。利用表面氧化、化学腐蚀、电化学沉积等表面处理,可在表面形成微/奈米结构形态,以增强其亲水性,从而增强芯结构的毛细管性能。

其次是开发超薄微热管的新型封装技术。封装过程是制造超薄微热管的关键步骤,直接影响热管的传热性能和使用寿命。然而,传统的圆柱形热管和使用粘接技术的封装工艺显现许多缺点,严重限制超薄微热管的应用和发展。形状变形、外壳破裂和低密封性能是新型封装过程应该力求解决的问题。

另外研究方向应该着眼于超薄扁平化热管内部结构的优化。目前众多研究结果显示,超薄微热管的最大传热能力随着扁平厚度的减小而降低。由厚度扁平化引起的蒸汽和液体流道的体积变化是热性能低的主要原因。因此,可以透过内部结构优化,重新分配蒸汽和液体通道的体积,以减小厚度扁平化对超薄微热管的传热性能的影响。

最后是以金属外壳开发灵活的超薄微热管。与可携式或穿戴式设备的结合,可挠式显示技术的快速发展,也导致热管理的要求。然而,所有当今发明的可挠式超薄微热管的外壳材料通常是由聚合物制成,其导热性表现得比金属材料低。而且,金属芯结构,例如烧结铜粉和网状结构,无法与聚合物外壳一起烧结,如此显着地增加热阻,并降低超薄微热管热性能。

责任编辑:朱颖

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2020-01-14 4:45 AM
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