應用相變材料的散熱技術概述

萬澤明

摘 要：隨著半導體技術的發(fā)展以及電子設備功能的集成化需求，對散熱的要求也越來越高。相變材料在發(fā)生相變的過程中需要吸收或釋放大量的熱量，其在電子設備的散熱中得到了廣泛的應用。本文針對電子設備中應用相變材料的散熱裝置的改進及相關技術發(fā)展進行了概述。

關鍵詞：相變材料;散熱裝置;技術發(fā)展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.058

0 前言

隨著電子設備體積的薄型化、功能的多樣化及智能化發(fā)展，其內部芯片處理性能不斷提升，功耗不斷增大，與之相應的發(fā)熱量也越來越高;而電子設備溫度過高不僅影響用戶的體驗，而且會對電子設備的安全工作以及使用壽命等造成不良影響。相變材料由于其優(yōu)異的吸熱、儲熱能力以及無需外部驅動力、無噪聲等優(yōu)勢而在電子設備的散熱中得到了廣泛的應用。

目前應用相變材料的散熱裝置主要包括均溫板和熱管。均溫板為一種面與面的均勻熱傳導，主要是由一側平面吸收熱源熱量，再經由內部的相變材料將熱量傳導至另一側進行散發(fā)。而熱管作為一種遠端散熱元件，其由一端（吸熱端）吸附熱量將內部工作流體由液態(tài)轉換為汽態(tài)蒸發(fā)將熱量傳遞至熱管另一端（散熱端）。

1 散熱裝置內部結構

為了提高上述使用相變材料的散熱元件的散熱性能，一般對熱管內部相變導熱工質的吸液芯結構進行改進，例如，改變吸液芯的孔隙率布置提高工質回流效率，在均溫板或平板熱管內部設置金屬或者毛細結構構成的支撐柱促進工質從冷凝面回流至蒸發(fā)面，從而避免在蒸發(fā)面處出現(xiàn)干燒，促進熱傳導效率。在另一方面，通過改進管體與相變工質之間的換熱結構以促進二者之間的熱交換效率，例如，在熱管的蒸發(fā)端和冷凝端管體內部設置凹槽、凸肋等增大換熱面積，在均溫板的蒸發(fā)面和冷凝面內壁設置微翅片或針肋等形成微槽道或針肋陣列而增大換熱面積，提高散熱效率。

2 立體散熱

如前文所述，熱管用于將熱量傳導至遠端，并不能解決熱源附近處溫度過高、不能消除熱點實現(xiàn)均溫;而均溫板用于將熱量從其一側平面?zhèn)鲗е料鄬Φ牧硪粋绕矫?，其無法將熱量傳導至遠處散發(fā)，若冷凝面的熱量不能及時散發(fā)，將導致熱量積攢于熱源附近，從而得不到及時散發(fā)熱源熱量、降低溫度的效果。可見，二者均為單一解決方案的散熱元件，其不能兼具消除熱點并將熱量引導至遠端散發(fā)的散熱效果，因而在發(fā)熱量較大的情況下不能有效地對發(fā)熱源進行降溫。

為了解決這一問題，研究人員提出了將熱管與均溫板進行組合從而獲得兼具均溫與遠端散熱效果的方案（也稱為三維導熱或立體導熱結構）。其中，陳志明[1]提出了一種一體成型的散熱單元，該一體成型的散熱單元包括兩個分隔的腔室，兩個腔室內均填充相變材料工質，其中第一腔相當于一均溫板結構，第二腔向遠端延伸相當于一熱管結構，由此，熱源產生的熱量一方面通過第一腔進行大面積均溫散熱，同時還可透過第二腔將熱量傳導至遠端散發(fā)，從而同時兼具大面積均溫以及遠端散熱效果。與此同時，對于熱管結構與均溫板結構之間的結合，還可通過焊接或粘接等方式進行[2-3]，同樣可獲得同時兼具均溫與遠端散熱效果的散熱結構的方案。

3 工作溫度范圍的改進

由于電子設備在使用過程中可能存在瞬時熱載荷變化較大的情形，而此時對散熱元件的工作溫度范圍提出了更高的要求。

針對這一問題，研究人員提出了將相變導熱腔室分隔為兩個腔室，并且使該兩個腔室分別具有不同的工作溫度的技術方案，從而滿足具有較大工作溫度范圍需求的應用場合。而為了使兩個腔室具有不同的工作溫度，一般通過兩種方式實現(xiàn)：一是在兩個腔室內分別填充具有不同相變溫度的材料[4-5];二是在兩個腔室內相變填充材料相同的情況下，為兩個腔室設置不同的真空度，從而使得兩個腔室具有不同的工作溫度范圍[6]。

4 結語

本文對現(xiàn)有相變材料的散熱應用及技術改進進行了簡單梳理，電子設備中的高性能芯片等電子器件日益集成化，電子器件的功率越來越大的同時體積越來越小，導致這些器件的熱流密度日益增加，如何提高相變材料散熱結構的散熱性能以適應日益提高的散熱需求，仍是需要進一步探索與研究的問題。

參考文獻：

[1]陳志明.散熱單元[P].中國專利：CN107072105A，2017-08-18.

[2]劉艷.一種復合型3D均溫板[P].中國專利：CN208835040U，2019-05-07.

[3]Hsiu-Wei Yang.Thermal Module[P].美國專利：US10107558B2，2018-10-23.

[4]關洪宇，劉巨，于善猛，關奉偉.一種相變均熱板[P].中國專利：CN107635380 A，2018-01-26.

[5]謝錚玟，廖文能，黃庭強.散熱單元[P].中國專利：CN103547113B，2017-01-18.

[6]張俊毅.熱管及其制備方法[P].中國專利：CN100529636C，2009-08-19.