均热板在移动产品中的应用研究

在轻薄小型化的便携设备中，水涨船高的高功率芯片所产生的非均匀分布热点散热问题，已经严重影响设备的效率、稳定和可靠的运行寿命，日益凸显的“热障”问题对摩尔定律提出了重要挑战，高性能高效散热技术在移动设备中的应用迫在眉睫。本文针对均热板技术较传统冷却技术的优势，探讨超薄均热板在热流密度越来越大的便携移动设备中升级换代的应用，论述了发展过程中的问题和方向。

2017年，IBM宣布已经突破了5 nm制程的芯片制造技术，这使得一个指甲盖大小的单个芯片上的晶体管数量可以高达300亿个，其计算性能将得到大幅提升。而对小制程的追求源于芯片高度集成化和轻量化发展的趋势，芯片的高度集成化导致其发热问题日益严峻。小型化移动终端内部产生的超高热量，需要有更好的导热件来满足高热流密度的传热需求，散热问题成为制约该类产品发展的核心要素之一。

1均热板介绍

均温板又称均热板，简称 VC（Vapor chamber）板，它利用密封空间内的冷却工质相变蒸发而将热量迅速扩散到腔体，在冷凝端，工质冷凝为液体后，通过毛细力、重力又回流到热源端。（如图1所示）

图1 均热板内部工作机理和结构

均热板就是上述这种典型的相变导热器件，相变传热元件的热导率远超传统散热器件的热导率（如图2所示），其热导率（大于 5000 W/(m 2 · ) ℃ ）可以达到传统导热方式的几十倍以上（空气对流、液体对流的导热系数分别为10100，1001000 W/(m 2 ·℃)）。另外，由于均热板为二维面与面热传导，与热管为一维线性的热传导相比，均温板热传递的效率更高（如图3所示）。由于其良好的导热性能，被广泛应用于高热流密度的电子芯片散热，如智能手机芯片、笔记本和服务器等产品，是解决当前高热流密度问题的最佳方式。

图2 不同散热材料/器件的导热效率

图3 均热板与热管的散热机制

2国内外研究现状

移动便携设备（尤其是手机）体积越来越小，为了提高散热效果，均采用相变导热器件（如图4所示）。而手机机体总厚度下降到8 mm以下时，迫切需要超薄均热板，尤其是总厚度 0.8 mm 以下的均热板，这样的超薄均热板其内部腔体厚度已经下降到了极限，导致蒸汽腔的热阻陡然上升。通常情况下，一般把总厚度 2 mm 以下的均热板称为超薄均热板，当均热板厚度下降到一定程度时，其蒸发腔的热阻将大幅度上升，传热效率也因均热板厚度减小而降低。

图4 均热板组合散热成为主流

近年来，均热板技术演进方向主要集中于以下几个方面：一是均热板选材多样化，受益于中框-VC一体化散热解决方案，不锈钢VC崭露头角；二是封装工艺正在变革，激光封装有望替代镀铜钎焊封装制程；三是超薄VC铜网烧结毛细制程有望被打破，毛细制程多样化，印刷毛细与半导体光罩蚀刻毛细崭露头角；四是厚度进一步下探，VC均热板有望薄至0.3mm以下（如图5所示）。

学术界对普通铜质均热板的研究比较深入，大多数文献集中在均热板的成形工艺、吸液芯结构优化、工质传输特性及制造工艺改善研究等方面。目前均热板其材质主要采用铜质，对于铝质材料的热管和均热板，目前学术界研究的成果还非常少，可以查阅的文献不多。

随着先进制造、绿色制造等先进理念深入人心，学术界加大了轻质材料焊接工艺的研究，如李维伟对 5083 铝合金扩散焊接工艺进行了研究。铝合金焊接的困难在于铝合金表面氧化膜的存在，阻碍了原子的扩散，因此如何去除铝合金的氧化膜，并防止氧化膜的二次产生是铝合金扩散焊接的关键要素。铝合金焊接采用扩散焊方法是可行的，缺点是耗时长，效率低。

于前采用真空扩散焊对 AZ91镁合金/7075 铝合金进行了扩散连接，对焊接接头进行金相显微组织分析，并利用显微硬度计和微机控制电子万能试验机对接头界面扩散区的显微硬度和接头抗剪强度进行分析。

牛志伟对铝合金6063 微流道散热板采用了真空扩散焊，并研究了铝合金扩散焊界面的组织形态及界面结合力，以及扩散焊接头的微观组织及力学性能。

3存在的问题

1）超薄均热板良品率低。均热板总体厚度下降到 0.8 mm 后，其整体强度差，容易变形，上下盖板封装焊接困难，且制作良品率低等，封装焊接工艺有待突破。制造过程中需要成本低廉，且成熟有效的成形工艺。

2）采用铝镁材料的均热板制作工艺研究不足。因为铝镁合金的表面极易氧化，焊接困难。目前主要采用气氛扩散焊工艺，但是对于超薄型轻质材料的扩散焊接，目前的研究成果还非常少，尤其是对材料壁厚度为 0.2 mm 铝合金材料的焊接，几乎是空白，没有可查阅的文献。

3）超薄均热板吸液芯需进一步优化，需要进一步优化吸液芯结构，以及汽腔和液腔的最佳比例，以及制造过程中如何稳定地控制汽腔和液腔的比例，保证良品率的提升。

4）传统数值仿真模型误差大。超薄化对 VC 板传热带来的热质传递特性变化研究不足，文献比较少。因均热板厚度减小，外壳层的厚度、蒸汽腔以及吸液芯的厚度都会减小。均热板结构抗变形能力随着壳厚度的减小而减弱，蒸汽腔厚度的减小也增大了工质蒸发形成的饱和气态工质向冷凝端流动的压力损失，而吸液芯厚度的减小造成了工质在吸液芯结构中从冷凝端向蒸发端回流通道的流动压力损失增大。均热板的厚度并不是越小越好，而超薄均热板的热质传递特性理论分析的研究文献较少。

4结论

未来，超薄均热板的需求越来越大，尤其是总厚度在 0.8 mm 以下的均热板。另外，轻量化趋势推动超薄均热板也会逐步采用铝镁合金等轻质材料。随着先进制造、轻量化制造工艺的成熟，轻质超薄均热板有着广阔的应用前景，移动电子产品散热器将迎来升级换代。

来源：移动室技术交流平台

审核编辑：汤梓红