在輕薄小型化的便攜設(shè)備中，水漲船高的高功率芯片所產(chǎn)生的非均勻分布熱點(diǎn)散熱問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重影響設(shè)備的效率、穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行壽命，日益凸顯的“熱障”問(wèn)題對(duì)摩爾定律提出了重要挑戰(zhàn)，高性能高效散熱技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備中的應(yīng)用迫在眉睫。本文針對(duì)均熱板技術(shù)較傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，探討超薄均熱板在熱流密度越來(lái)越大的便攜移動(dòng)設(shè)備中升級(jí)換代的應(yīng)用，論述了發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)題和方向。

2017年，IBM宣布已經(jīng)突破了5 nm制程的芯片制造技術(shù)，這使得一個(gè)指甲蓋大小的單個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量可以高達(dá)300億個(gè)，其計(jì)算性能將得到大幅提升。而對(duì)小制程的追求源于芯片高度集成化和輕量化發(fā)展的趨勢(shì)，芯片的高度集成化導(dǎo)致其發(fā)熱問(wèn)題日益嚴(yán)峻。小型化移動(dòng)終端內(nèi)部產(chǎn)生的超高熱量，需要有更好的導(dǎo)熱件來(lái)滿足高熱流密度的傳熱需求，散熱問(wèn)題成為制約該類產(chǎn)品發(fā)展的核心要素之一。

1均熱板介紹

均溫板又稱均熱板，簡(jiǎn)稱 VC（Vapor chamber）板，它利用密封空間內(nèi)的冷卻工質(zhì)相變蒸發(fā)而將熱量迅速擴(kuò)散到腔體，在冷凝端，工質(zhì)冷凝為液體后，通過(guò)毛細(xì)力、重力又回流到熱源端。（如圖1所示）

圖1 均熱板內(nèi)部工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)

均熱板就是上述這種典型的相變導(dǎo)熱器件，相變傳熱元件的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)散熱器件的熱導(dǎo)率（如圖2所示），其熱導(dǎo)率（大于 5000 W/(m 2 · ) ℃ ）可以達(dá)到傳統(tǒng)導(dǎo)熱方式的幾十倍以上（空氣對(duì)流、液體對(duì)流的導(dǎo)熱系數(shù)分別為10100，1001000 W/(m 2 ·℃)）。另外，由于均熱板為二維面與面熱傳導(dǎo)，與熱管為一維線性的熱傳導(dǎo)相比，均溫板熱傳遞的效率更高（如圖3所示）。由于其良好的導(dǎo)熱性能，被廣泛應(yīng)用于高熱流密度的電子芯片散熱，如智能手機(jī)芯片、筆記本和服務(wù)器等產(chǎn)品，是解決當(dāng)前高熱流密度問(wèn)題的最佳方式。

圖2 不同散熱材料/器件的導(dǎo)熱效率

圖3 均熱板與熱管的散熱機(jī)制

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

移動(dòng)便攜設(shè)備（尤其是手機(jī)）體積越來(lái)越小，為了提高散熱效果，均采用相變導(dǎo)熱器件（如圖4所示）。而手機(jī)機(jī)體總厚度下降到8 mm以下時(shí)，迫切需要超薄均熱板，尤其是總厚度 0.8 mm 以下的均熱板，這樣的超薄均熱板其內(nèi)部腔體厚度已經(jīng)下降到了極限，導(dǎo)致蒸汽腔的熱阻陡然上升。通常情況下，一般把總厚度 2 mm 以下的均熱板稱為超薄均熱板，當(dāng)均熱板厚度下降到一定程度時(shí)，其蒸發(fā)腔的熱阻將大幅度上升，傳熱效率也因均熱板厚度減小而降低。

圖4 均熱板組合散熱成為主流

近年來(lái)，均熱板技術(shù)演進(jìn)方向主要集中于以下幾個(gè)方面：一是均熱板選材多樣化，受益于中框-VC一體化散熱解決方案，不銹鋼VC嶄露頭角；二是封裝工藝正在變革，激光封裝有望替代鍍銅釬焊封裝制程；三是超薄VC銅網(wǎng)燒結(jié)毛細(xì)制程有望被打破，毛細(xì)制程多樣化，印刷毛細(xì)與半導(dǎo)體光罩蝕刻毛細(xì)嶄露頭角；四是厚度進(jìn)一步下探，VC均熱板有望薄至0.3mm以下（如圖5所示）。

學(xué)術(shù)界對(duì)普通銅質(zhì)均熱板的研究比較深入，大多數(shù)文獻(xiàn)集中在均熱板的成形工藝、吸液芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工質(zhì)傳輸特性及制造工藝改善研究等方面。目前均熱板其材質(zhì)主要采用銅質(zhì)，對(duì)于鋁質(zhì)材料的熱管和均熱板，目前學(xué)術(shù)界研究的成果還非常少，可以查閱的文獻(xiàn)不多。

隨著先進(jìn)制造、綠色制造等先進(jìn)理念深入人心，學(xué)術(shù)界加大了輕質(zhì)材料焊接工藝的研究，如李維偉對(duì) 5083 鋁合金擴(kuò)散焊接工藝進(jìn)行了研究。鋁合金焊接的困難在于鋁合金表面氧化膜的存在，阻礙了原子的擴(kuò)散，因此如何去除鋁合金的氧化膜，并防止氧化膜的二次產(chǎn)生是鋁合金擴(kuò)散焊接的關(guān)鍵要素。鋁合金焊接采用擴(kuò)散焊方法是可行的，缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng)，效率低。

于前采用真空擴(kuò)散焊對(duì) AZ91鎂合金/7075 鋁合金進(jìn)行了擴(kuò)散連接，對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相顯微組織分析，并利用顯微硬度計(jì)和微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭界面擴(kuò)散區(qū)的顯微硬度和接頭抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析。

牛志偉對(duì)鋁合金6063 微流道散熱板采用了真空擴(kuò)散焊，并研究了鋁合金擴(kuò)散焊界面的組織形態(tài)及界面結(jié)合力，以及擴(kuò)散焊接頭的微觀組織及力學(xué)性能。

3存在的問(wèn)題

1）超薄均熱板良品率低。均熱板總體厚度下降到 0.8 mm 后，其整體強(qiáng)度差，容易變形，上下蓋板封裝焊接困難，且制作良品率低等，封裝焊接工藝有待突破。制造過(guò)程中需要成本低廉，且成熟有效的成形工藝。

2）采用鋁鎂材料的均熱板制作工藝研究不足。因?yàn)殇X鎂合金的表面極易氧化，焊接困難。目前主要采用氣氛擴(kuò)散焊工藝，但是對(duì)于超薄型輕質(zhì)材料的擴(kuò)散焊接，目前的研究成果還非常少，尤其是對(duì)材料壁厚度為 0.2 mm 鋁合金材料的焊接，幾乎是空白，沒(méi)有可查閱的文獻(xiàn)。

3）超薄均熱板吸液芯需進(jìn)一步優(yōu)化，需要進(jìn)一步優(yōu)化吸液芯結(jié)構(gòu)，以及汽腔和液腔的最佳比例，以及制造過(guò)程中如何穩(wěn)定地控制汽腔和液腔的比例，保證良品率的提升。

4）傳統(tǒng)數(shù)值仿真模型誤差大。超薄化對(duì) VC 板傳熱帶來(lái)的熱質(zhì)傳遞特性變化研究不足，文獻(xiàn)比較少。因均熱板厚度減小，外殼層的厚度、蒸汽腔以及吸液芯的厚度都會(huì)減小。均熱板結(jié)構(gòu)抗變形能力隨著殼厚度的減小而減弱，蒸汽腔厚度的減小也增大了工質(zhì)蒸發(fā)形成的飽和氣態(tài)工質(zhì)向冷凝端流動(dòng)的壓力損失，而吸液芯厚度的減小造成了工質(zhì)在吸液芯結(jié)構(gòu)中從冷凝端向蒸發(fā)端回流通道的流動(dòng)壓力損失增大。均熱板的厚度并不是越小越好，而超薄均熱板的熱質(zhì)傳遞特性理論分析的研究文獻(xiàn)較少。

4結(jié)論

未來(lái)，超薄均熱板的需求越來(lái)越大，尤其是總厚度在 0.8 mm 以下的均熱板。另外，輕量化趨勢(shì)推動(dòng)超薄均熱板也會(huì)逐步采用鋁鎂合金等輕質(zhì)材料。隨著先進(jìn)制造、輕量化制造工藝的成熟，輕質(zhì)超薄均熱板有著廣闊的應(yīng)用前景，移動(dòng)電子產(chǎn)品散熱器將迎來(lái)升級(jí)換代。

來(lái)源：移動(dòng)室技術(shù)交流平臺(tái)

審核編輯：湯梓紅