高效相變傳熱VC，5G通信散熱的強(qiáng)弓之白皮書

中興通訊股份有限公司，深圳市鴻富瀚科技股份有限公司

摘要

由于利用介質(zhì)潛熱，以熱管、VC（Vapor Chamber）為代表的相變傳熱技術(shù)具有顯著高于導(dǎo)熱、對(duì)流的換熱系數(shù)和散熱能力，是解決日益增長(zhǎng)的產(chǎn)品散熱需求的關(guān)鍵技術(shù)。在芯片功耗與熱流密度持續(xù)攀升的前景下，VC等相變傳熱技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用切實(shí)決定著通信產(chǎn)品散熱可靠性與性能升級(jí)空間，具有至關(guān)重要的意義。

關(guān)鍵字：5G,相變傳熱,VC,均熱板,均溫板散熱模組

1 散熱器技術(shù)的演進(jìn)

散熱是保障電子設(shè)備與產(chǎn)品長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。作為芯片等熱耗器件應(yīng)用最密集的領(lǐng)域，通訊和信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了散熱或熱設(shè)計(jì)成為一個(gè)系統(tǒng)性的行業(yè)，電力、安防、消費(fèi)電子、汽車、LED等領(lǐng)域的研發(fā)也越來越重視產(chǎn)品的散熱性能，以期在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力上擁有更多優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，5G通訊、信息產(chǎn)品整體向更大容量、更高性能、節(jié)能低噪的目標(biāo)發(fā)展。設(shè)備集成化程度越來越高，單芯片功能更強(qiáng)大，功耗大幅增長(zhǎng)，但布局卻更緊湊，熱流密度成倍攀升，散熱技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)主要依賴單相材料導(dǎo)熱將熱量從器件傳導(dǎo)至散熱器表面，再由空氣通過自然對(duì)流（自然散熱系統(tǒng)）或強(qiáng)迫對(duì)流（強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)）將熱量散到環(huán)境中。熱傳導(dǎo)的效率取決于同時(shí)也受限于材料固有的導(dǎo)熱性能。 

而以熱管、VC（Vapor Chamber）為代表的相變傳熱技術(shù)，是利用介質(zhì)在受熱區(qū)域蒸發(fā)、在遇冷區(qū)域凝結(jié)，同時(shí)吸收或釋放相應(yīng)的相變潛熱，交替循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱量的迅速擴(kuò)散或遷移。潛熱的吸收和釋放是一個(gè)迅速高效的過程，且采用兩相傳熱通常也會(huì)選擇潛熱較大的工質(zhì)，因此傳熱效率非常高，等效導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到2000 W/m·K以上，遠(yuǎn)超金、銀、銅、鋁等純金屬材料（200~400 W/m·K），能夠支撐傳統(tǒng)散熱器無法滿足的更大功耗、更高熱流密度傳熱需求。同時(shí)，可與多種冷源形式（自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液冷、輻射等）相匹配，應(yīng)用形式靈活多樣。

圖1 相變傳熱原理

從最早提出且目前已大量成熟應(yīng)用的熱管，相繼演化出VC均熱板、Thermosyphon熱虹吸、LTS環(huán)路熱虹吸、LHP環(huán)路熱管等多種形態(tài)，廣泛適用于各類產(chǎn)品，針對(duì)器件功耗大、熱流密度高、均溫性差等問題，解決傳統(tǒng)散熱器無法滿足的散熱需求，成為當(dāng)前散熱領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展的方向。

圖2 相變傳熱散熱器形態(tài)（圖源網(wǎng)絡(luò)）

2 VC均熱板技術(shù)的發(fā)展

VC均熱板是目前除熱管外工藝較為成熟，在通信、電子行業(yè)應(yīng)用最廣泛的一類相變傳熱產(chǎn)品。典型的VC為扁平封閉式形態(tài)，由殼體、毛細(xì)結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和工質(zhì)組成，通過工質(zhì)的蒸發(fā)冷凝和毛細(xì)輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)，將熱量從集中區(qū)域擴(kuò)散至整個(gè)結(jié)構(gòu)平面。

圖3 VC均熱板結(jié)構(gòu)原理

得益于大面積毛細(xì)特性與二維甚至三維熱擴(kuò)散的優(yōu)勢(shì)，VC具有更高的熱流密度承載能力，尤其針對(duì)熱流密度超過50W/cm2的電子器件冷卻，均溫效果顯著勝過純金屬或嵌熱管式散熱基板，能夠大幅提升散熱器效率。在芯片熱流密度超過100W/cm2的發(fā)展趨勢(shì)下，VC無疑是支撐通信設(shè)備性能升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。

同普通熱管管殼一樣，VC的殼體通常也是由金屬材料制成。目前地面應(yīng)用絕大部分VC都采用銅材薄板沖壓成型而制成，因銅材的導(dǎo)熱性能好，并具有良好的機(jī)械加工性能和焊接性能，成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、精度較高。在消費(fèi)電子、軍工或航空航天領(lǐng)域，為了滿足更進(jìn)一步的高強(qiáng)度、超薄化或輕量化需求，不銹鋼（高強(qiáng)度、耐腐蝕，成本低）、鈦（高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕）等材料作為VC殼體也得到了一定的發(fā)展。進(jìn)一步地，為滿足降本降重的市場(chǎng)需求，行業(yè)內(nèi)也逐漸開展了對(duì)鋁基相變傳熱裝置的探索。

表1 鈦、銅、鋁性能對(duì)比

工質(zhì)的選擇基于工作溫區(qū)、材料相容性、熱物性等因素。與銅材匹配性最好的工質(zhì)為水，熱物性優(yōu)良，安全無毒，易得易處理。與鋁材相匹配的工質(zhì)主要為冷媒，這類工質(zhì)作為冷卻介質(zhì)已有較成熟的民用基礎(chǔ)。甲醇、乙醇、丙酮等工質(zhì)也常見于各種VC性能研究，但由于毒性、易燃易爆性等因素實(shí)際應(yīng)用很少。

毛細(xì)芯（或稱吸液芯）是熱管、VC等毛細(xì)驅(qū)動(dòng)熱輸送或熱擴(kuò)散裝置的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)型式直接影響到傳熱換熱的性能與熱流密度承載能力。由于扁平狀的外形特點(diǎn)，VC主要采用絲網(wǎng)型、溝槽型、燒結(jié)型及復(fù)合型四類毛細(xì)芯。

圖4 絲網(wǎng)型、溝槽型與燒結(jié)型毛細(xì)吸液芯形態(tài)（圖源網(wǎng)絡(luò)）

事實(shí)上，以上這些型式可以看作是毛細(xì)芯的基本結(jié)構(gòu)，而為了進(jìn)一步提升VC的熱擴(kuò)散性能與熱流密度承載能力，很多研究致力于優(yōu)化毛細(xì)芯在較大尺度上的幾何結(jié)構(gòu)。

早期應(yīng)用的VC是最經(jīng)典的純金屬支撐柱式，支撐柱僅發(fā)揮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的作用。之后演變出在支撐柱外套一層粉末燒結(jié)毛細(xì)環(huán)，或直接將金屬柱換成毛細(xì)粉柱，采用純毛細(xì)柱排列或金屬柱與毛細(xì)柱混合排列。這樣在冷面凝結(jié)的工質(zhì)可以通過毛細(xì)環(huán)或毛細(xì)柱向熱面蒸發(fā)區(qū)回流，回流路徑大大縮短，補(bǔ)液速率增大，VC傳熱能力因此增強(qiáng)。

更高性能的VC多見對(duì)應(yīng)于熱源位置的蒸發(fā)區(qū)局部毛細(xì)結(jié)構(gòu)體加密，除了增強(qiáng)毛細(xì)力和液體回流，這些毛細(xì)結(jié)構(gòu)體表面同時(shí)擴(kuò)展了蒸發(fā)面積，提高了蒸發(fā)速率。從這一角度出發(fā)的設(shè)計(jì)還有加密純金屬結(jié)構(gòu)體外部覆著一層毛細(xì)材料，因純金屬尤其純銅的導(dǎo)熱系數(shù)要高于毛細(xì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部純金屬將熱量傳導(dǎo)至表層毛細(xì)結(jié)構(gòu)效率更高，且純金屬的強(qiáng)度也更好。這類設(shè)計(jì)型式多種多樣，VC熱流密度承載能力可以達(dá)到30~100W/cm2。

目前還有一些更前沿的特種毛細(xì)結(jié)構(gòu)處于研究和開發(fā)應(yīng)用階段，例如刻蝕加工的放射狀槽道結(jié)構(gòu)，液體通過蒸發(fā)層和一系列橫向收斂通道向熱源區(qū)域補(bǔ)充，大幅度提升了VC的熱流密度承載極限?；虿捎梅律皆O(shè)計(jì)，借鑒植物葉脈結(jié)構(gòu)所獨(dú)有的傳熱傳質(zhì)機(jī)制，有效平衡滲透率與毛細(xì)力的矛盾問題，獲得更低的熱阻和優(yōu)良的均溫性。

圖5 不同類型的VC內(nèi)腔支撐與毛細(xì)結(jié)構(gòu)（圖源網(wǎng)絡(luò)）

不同于熱管成熟的工藝，VC工藝還在探索中，雖然國(guó)內(nèi)外很多公司已經(jīng)進(jìn)行了量產(chǎn)，但仍然存在吸液芯的制造成本高、焊接工藝效率低及良品穩(wěn)定性差、變形及可靠性等問題。

大多數(shù)VC廠商以絲網(wǎng)工藝為主。銅絲網(wǎng)容易編織、成品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，但毛細(xì)作用力較小，在應(yīng)對(duì)高熱流密度、逆重力場(chǎng)景時(shí)將面臨較大的性能限制。

3 總結(jié)與展望

過去的二十多年，VC在應(yīng)用上的發(fā)展非常可觀，一些關(guān)鍵的技術(shù)節(jié)點(diǎn)包括：

1）復(fù)合毛細(xì)芯的應(yīng)用。通過不同孔徑的毛細(xì)材料組合來協(xié)調(diào)VC毛細(xì)力與工質(zhì)流動(dòng)阻力之間的矛盾；

2）毛細(xì)柱/環(huán)的應(yīng)用。在支撐柱的基礎(chǔ)上改進(jìn)，增加燒結(jié)毛細(xì)柱/環(huán)作替代或配合，不僅保證VC有足夠的強(qiáng)度，更重要的是大大縮短了冷凝液的回流路徑，提升了VC的傳熱性能；

3）消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)C的輕薄化需求使得研究者和各個(gè)廠家對(duì)不同的材料、制程和工藝投入了大量研究；

4）擴(kuò)散焊技術(shù)的發(fā)展使VC的性能和外觀得以進(jìn)一步提升，也提高了成品率。

高功耗、高熱流密度芯片發(fā)展趨勢(shì)對(duì)VC均溫性能提出更高需求，VC的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須在提升毛細(xì)性能的同時(shí)從材料和結(jié)構(gòu)多方面提升熱量傳導(dǎo)和氣液輸送的效率，從而大幅降低VC的熱阻，才能實(shí)現(xiàn)在工作熱流密度增大一倍甚至數(shù)倍的情況下，從熱源到VC冷面的溫差仍與目前低熱流密度應(yīng)用條件下的水平相當(dāng)。

理論層面，盡管有許多研究聚焦于降低熱阻、提升燒干極限和臨界熱流密度、實(shí)現(xiàn)更高的熱流密度承載能力，要更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和評(píng)估VC內(nèi)部的熱輸運(yùn)過程和限制，還必須找到合適的方法模擬不同毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的氣液界面，這方面仍然有待更多的基礎(chǔ)理論工作深入剖析VC的物理機(jī)理。

應(yīng)用層面，對(duì)VC傳熱能力與熱阻的表征需要更加精細(xì)化，并建立更加完善的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)總結(jié)VC受工作條件的影響規(guī)律，以便更準(zhǔn)確地把握VC在系統(tǒng)中應(yīng)用的效果，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性。

同時(shí)，針對(duì)相變傳熱各類結(jié)構(gòu)型式的材料、工藝改進(jìn)優(yōu)化也有賴于行業(yè)共同探索，將其打造為散熱技術(shù)的一把強(qiáng)弓，在5G通信發(fā)展中貢獻(xiàn)更大力量。