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超薄均温板的性能影响因素与未来发展探讨

2019年起，多家智能手机制造商发布了5G智能手机。5G网络的高频高速特性，加之手机处理器性能的不断攀升以及在线视频和游戏成为高频次应用都在推高智能手机的功耗，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）广泛应用于5G智能手机，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可靠性，将影响智能手机的散热表现。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能给大家一些启示。

生命周期的可靠性

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活动部件，在遵从正确的制造工艺下，它们具有长期稳定工作的可靠性。它们的寿命可靠性可能因以下原因而下降：

• 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体。

• 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，在长期运行中由于化学反应产生不凝性气体或腐蚀腔体材料和吸液芯，导致热性能下降。

• 不凝性气体（NCG）积聚在热管或蒸汽室中，阻碍蒸汽流的扩散，降低可用于热传递的有效冷凝面积。

相对于热管，NCG对蒸汽室的性能影响更大，原因在于蒸汽室的表面积与内部空间的比值（面积/体积）比传统热管大。借助UTVC（内部高度为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体积的比率可能比圆形热管高一个数量级。表面积越大，腔体材料与工作液之间的化学反应越强烈。

研究案例中，内部高度为0.2mm，长度为140mm，宽度为70mm的超薄蒸汽室表面积为1.966 x10∧（-2）㎡，体积为1.96 x 10∧（-6）m³，面积/体积比值为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NCG是在初始阶段产生的数据模型。图1显示，大部分NCG是在初始阶段产生的，后期生成的NCG非常有限。他们从直径为6.35mm，总长度为250mm（加热长度为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，如果可以消除最初生成的NCG，那么在长期运行中，将很少或没有NCG生成。

图1：铜水热管寿命测试数据

为了证明这种现象，Murakami在初始加热和测量温度下降后分别对热管进行了测试，接着对热管重新抽真空并再次进行测试。图2的结果显示，重新抽真空后，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、功率电源设备和一般电子产品，大多数蒸汽室是由铜和与其相容的液态水制成的。选择水作为工作液，是因为水较高的潜热和具有在电子设备50-150℃工作范围内的性能优势，另外水也是环境友好的流体。针对移动设备，蒸汽室需要薄且轻，因而铜材料的柔软性可能会导致机械结构的完整性问题。

蒸汽室的应用

下面，图3显示了应用于计算机等电子产品散热的常规冷却技术。现在，热管用于台式机、笔记本电脑和超极本的散热。某些情况下，如果需要高性能散热设计，将考虑使用蒸汽室。

图3：计算机等电子设备的常规冷却技术

目前，已经有制造商在轻薄的平板电脑和智能手机中使用细热管冷却技术，这些薄热管的厚度为0.5mm，图4所示。厂商将在2019年推出5G智能手机，这将需要更高的散热能力，除非使用多个热管，否则现阶段的细热管可能无法有效地将热量散发出去。某些智能手机制造商（例如LG）考虑在智能手机中应用UTVC，因为UTVC具有较大的表面积，可以更有效地在X-Y方向上扩散热量。对于薄型高功率电子设备，这种超薄蒸汽室可能是非常必要的，从细热管转换为超薄蒸汽室的手机应用模型如图5所示。

图4：在轻薄平板电脑与手机中使用薄热管的部分案例

图5：在5G手机中使用超薄VC的示例

总结

• 蒸汽室内部空间的最小高度限制约为0.1mm，（假设顶板和底板的厚度为0.1mm，即最小蒸汽室厚度约为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为0.1mm）。

• 0.1mm高度空间蒸汽室的最大热传递量将只有有限的几瓦。

• 由于现阶段技术的限制，设计制造的0.3mm蒸汽室，不太可能有热性能的显著改善。或许需要纳米结构的吸液芯，来提高蒸发区的亲水性和冷凝区的疏水性以便进一步提高性能。

• 当内部空间高度减小时，其他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远胜于任何目前已知的散热/导电材料。

• 预期超薄蒸汽室可能在薄型大功率设备的冷却上变得越来越有必要。

• 不凝性气体（NCG）可能会产生严重的不良影响，细热管和蒸汽室表面积大但内部体积小，因此少量的NCG可占大体积比

• 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：Masataka Mochizuki  , Thang Nguyen ,"REVIEW OF VARIOUS THIN HEAT SPREADER VAPOR CHAMBER DESIGNS, PERFORMANCE, LIFETIME RELIABILITY AND APPLICATION"

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