鋁基蒸汽腔在電子器件散熱中的應(yīng)用*

楊冬梅，趙 銳，戰(zhàn)棟棟，辛?xí)苑?/p>

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鋁基蒸汽腔在電子器件散熱中的應(yīng)用*

楊冬梅，趙 銳，戰(zhàn)棟棟，辛?xí)苑?/p>

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中針對高熱流密度電子器件的散熱，對鋁基蒸汽腔的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在不同的熱流密度條件下，測試了電子器件和蒸汽腔的表面溫度，并采用仿真反演法在FLUENT軟件中求得鋁基蒸汽腔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)電子器件的熱流密度大于35 W/cm2時，鋁基蒸汽腔的導(dǎo)熱性能優(yōu)于等尺寸的純銅板，其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)最大可以達(dá)到470 W/(m·K)。另一方面，鋁基蒸汽腔的等效密度僅為純鋁的60%。因此，相比傳統(tǒng)的金屬熱擴(kuò)展板，鋁基蒸汽腔兼具高效導(dǎo)熱性能和低密度兩項(xiàng)優(yōu)勢，是一種新型實(shí)用的高熱流密度電子器件散熱手段。

高熱流密度；電子器件散熱；鋁基蒸汽腔；熱擴(kuò)展；當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

引 言

過去的20年間，軍用電子系統(tǒng)中的核心器件朝著大功率、小型化、高集成度的方向快速發(fā)展。時至今日，CMOS、射頻功放MMIC芯片等器件的熱流密度已經(jīng)達(dá)到100 W/cm2以上，是10年前的5～10倍，器件的工作溫度已經(jīng)十分逼近臨界溫度[1]。在不久的將來，核心器件的熱流密度將會達(dá)到200 W/cm2，電子系統(tǒng)的散熱能力受到了嚴(yán)峻而急迫的挑戰(zhàn)。相比而言，電子系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)框架并未發(fā)生重大變革，核心器件的熱量經(jīng)過層層傳遞，才能最終通過散熱器排放到環(huán)境中去，而散熱器上的熱流密度只有2 W/cm2，與器件上的熱流密度有著兩個數(shù)量級的差距。因此，降低核心器件的熱流密度，使之與末端冷卻設(shè)備的熱流密度相匹配，是核心器件散熱的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

熱擴(kuò)展板是一種具有高導(dǎo)熱性能的薄板，從核心器件吸收熱量，然后將熱量迅速擴(kuò)展，降低熱流密度，并傳遞至冷源。從傳熱機(jī)理上來講，熱擴(kuò)展板的導(dǎo)熱系數(shù)越高，熱擴(kuò)展板的熱擴(kuò)展性能越好。常規(guī)的熱擴(kuò)展板是銅基或鋁基的實(shí)心金屬板。銅基熱擴(kuò)展板的導(dǎo)熱系數(shù)較高，達(dá)400 W/(m·K)，但密度很大(8.9 g/cm3)；鋁基熱擴(kuò)展板密度較小(2.7 g/cm3)，但導(dǎo)熱系數(shù)僅有180 W/(m·K)。新型熱擴(kuò)展板技術(shù)包括熱管和蒸汽腔等。其中，蒸汽腔具有厚度小、自密封、無需用電等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

蒸汽腔是一種中空的薄板，內(nèi)部抽真空后填充傳熱介質(zhì)，通過介質(zhì)相變進(jìn)行傳熱。熱源下方的介質(zhì)吸收熱量，蒸發(fā)后在氣動作用下流向冷段，然后在冷凝段凝結(jié)，將熱量釋放給冷源，之后在毛細(xì)力作用下流回?zé)嵩聪路剑绱送鶑?fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)熱傳遞。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中，蒸汽腔通常是銅基蒸汽腔，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1 000 W/(m·K)，但等效密度仍比實(shí)心鋁材大(典型值為5 g/cm3)。因此，使用銅基蒸汽腔代替純金屬熱擴(kuò)展板，會增加散熱設(shè)備的重量，不適合在對重量要求苛刻的場合中使用。相比之下，鋁基蒸汽腔的等效密度比實(shí)心鋁材更小，導(dǎo)熱性能優(yōu)于純銅，在機(jī)載場合具有更好的綜合性能。然而，由于加工難度大等原因，鋁基蒸汽腔在電子設(shè)備散熱中的應(yīng)用研究至今未見報(bào)道。

本文采用實(shí)驗(yàn)方法，研究了一種燒結(jié)芯鋁基蒸汽腔(等效密度1.65 g/cm3，約為實(shí)心鋁材的60%)的導(dǎo)熱性能，分析了熱源的熱流密度對鋁基蒸汽腔導(dǎo)熱性能的影響。以此為基礎(chǔ)，評價了鋁基蒸汽腔作為熱擴(kuò)展板的應(yīng)用價值，并為鋁基蒸汽腔在電子散熱技術(shù)中的應(yīng)用方法提出了參考意見。

1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

本文參照典型軍用電子器件的熱擴(kuò)展布置方式搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。待測件為一塊最大外形為100 mm × 100 mm × 3 mm的鋁基蒸汽腔，其冷段與一塊寬度為15 mm的液冷冷板緊密連接，熱段壓接一個發(fā)熱電阻作為模擬熱源，發(fā)熱電阻底面尺寸為15 mm × 15 mm。為減小接觸熱阻，所有接觸面之間均填充導(dǎo)熱硅脂。冷板與一臺恒溫液冷源相連，液冷源的供液溫度26 ℃，冷卻介質(zhì)為體積密度66%的乙二醇水溶液。為減少待測件與環(huán)境之間的熱交換，使用保溫材料包裹整個待測單元。冷卻液的供液流量和供液溫度通過液冷源上的流量計(jì)和測溫儀測量；發(fā)熱電阻的發(fā)熱量通過一個程控電源調(diào)節(jié)；發(fā)熱電阻和蒸汽腔的表面溫度通過T型熱電偶測量，并使用電腦終端收集；測溫點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及待測件上測溫點(diǎn)布置圖

為比較鋁基蒸汽腔和傳統(tǒng)熱擴(kuò)展板的導(dǎo)熱性能，本文將實(shí)驗(yàn)分為測試組和對照組。兩組實(shí)驗(yàn)使用相同的測試條件和測試工況，測試組的待測件為鋁基蒸汽腔，對照組的待測件為一塊相同外形的純銅板。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測試單元的溫度分布

發(fā)熱電阻的熱量經(jīng)過熱擴(kuò)展板傳遞至冷卻液，因此，溫度在測試單元的散熱通徑上逐漸降低，如圖2所示。在使用蒸汽腔的測試單元中，熱擴(kuò)展板中部的溫度(T2→T5)近似等于介質(zhì)飽和溫度，沿程的溫度變化可以忽略，這一傳熱形式是蒸汽腔相對于純銅熱擴(kuò)展板的主要優(yōu)勢。盡管蒸汽腔中部的傳熱性能極佳，蒸汽腔的整體導(dǎo)熱性能卻受到蒸發(fā)段(位于熱源下方)和冷凝段(位于冷板下方)熱阻的制約。進(jìn)一步分析蒸汽腔的散熱機(jī)理，發(fā)現(xiàn)蒸汽腔整體散熱效果受到熱流密度的影響。具體來說，當(dāng)熱源的熱流密度較低時，蒸發(fā)段內(nèi)的介質(zhì)不能充分蒸發(fā)，未經(jīng)蒸發(fā)的介質(zhì)形成一層附著在腔體內(nèi)表面的液膜，引起了額外的熱阻，從而削弱了蒸汽腔的換熱能力。隨著熱流密度升高，蒸汽腔中的介質(zhì)蒸發(fā)量增大，蒸發(fā)段的液膜變薄，熱阻減小，蒸汽腔的換熱性能優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。這一趨勢在圖2中表現(xiàn)為：高熱流密度條件下，蒸汽腔測試單元的熱源溫度低于純銅板測試單元；相反，低熱流密度條件下，蒸汽腔測試單元的熱源溫度高于純銅板測試單元。另一方面，蒸發(fā)腔在冷凝段的熱阻主要受到冷板表面積影響[4]。

圖2 測試單元上的溫度測試結(jié)果

2.2 鋁基蒸汽腔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

蒸汽腔當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的定義：假定一塊純金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)等于蒸汽腔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，則該純金屬材料的導(dǎo)熱性能與蒸汽腔等同。利用熱學(xué)仿真手段，可以在仿真軟件中假定一種金屬材料，當(dāng)該材料的導(dǎo)熱系數(shù)與蒸汽腔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)相等時，仿真結(jié)果中的發(fā)熱電阻溫度(T1)等于實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果?？紤]到多工況實(shí)驗(yàn)過程中保持了相同的接觸條件、供液流量、供液溫度等參數(shù)，因此在FLUENT仿真計(jì)算中可以利用多工況聯(lián)立反推的方法獲得冷凝段和蒸發(fā)段的接觸熱阻。結(jié)果表明：冷板與待測件之間的接觸熱阻為0.01 (℃·cm2)/W，發(fā)熱電阻和待測件之間的接觸熱阻為0.05 (℃·cm2)/W。

圖3給出了熱流密度102 W/cm2條件下的仿真結(jié)果，熱源溫度為75.1 ℃，與相同熱流密度下蒸汽腔測試單元中的熱源溫度相等。因此，可以認(rèn)為蒸汽腔在102W/cm2熱流密度條件下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)與該算例中假定金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)相等，等于437 W/(m·K)。使用同樣的仿真方法，反推得到了各種熱流密度條件下的蒸汽腔當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，如圖4所示。結(jié)果表明：隨著熱流密度的增大，蒸汽腔的導(dǎo)熱性能提高，并在熱流密度大于100 W/cm2時趨于穩(wěn)定，達(dá)到約470 W/cm2；當(dāng)熱源的熱流密度等于35 W/cm2時，蒸汽腔的導(dǎo)熱性能與等尺寸的純銅板相同。因此，建議在發(fā)熱器件的熱流密度≥35 W/cm2時，可以使用鋁基蒸汽腔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的純金屬熱擴(kuò)展板。

圖3 仿真結(jié)果：測試單元的溫度分布云圖

圖4 不同熱流密度條件下的蒸汽腔當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

3 結(jié)束語

本文利用實(shí)驗(yàn)方法，研究了一種燒結(jié)芯鋁基蒸汽腔的導(dǎo)熱性能，在各種熱流密度條件下獲得了鋁基蒸汽腔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。針對高熱流密度電子器件的散熱應(yīng)用場合，比較了鋁基蒸汽腔和傳統(tǒng)金屬熱擴(kuò)展板的散熱性能，給出了鋁基蒸汽腔在電子器件散熱中的應(yīng)用準(zhǔn)則。結(jié)論如下：

1)熱源熱流密度等于35 W/cm2時，鋁基蒸汽腔的導(dǎo)熱性能與等尺寸的純銅板相當(dāng)；

2)隨著熱源熱流密度的增大，鋁基蒸汽腔的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增大，最大可以達(dá)到470 W/(m·K)；

3)鋁基蒸汽腔的當(dāng)量密度約為等尺寸鋁板的60%；

4)建議在熱流密度大于35 W/cm2的條件下使用鋁基蒸汽腔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬熱擴(kuò)展板。

[1] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(上)[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[2] WEI J, CHAN A. Measurement of vapor chamber performance[C]//Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, 2003: 191-194.

[3] 莫冬傳, 呂樹申, 金積德. 高熱流密度均溫板的傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2008, 29(2): 317-319.

[4] 戰(zhàn)棟棟, 錢吉裕. 熱管導(dǎo)熱板當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2012, 28(4): 12-14.

Application of Aluminous Vapor Chamber in Electronic Device Cooling System

YANG Dong-mei，ZHAO Rui，ZHAN Dong-dong，XIN Xiao-feng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Aiming at the heat dissipation of electronic devices with high heat flux. The heat conduction abili-ty of aluminous vapor chamber is studied experimentally in this article. The surface temperatures of both electronic chip and aluminous vapor chamber are measured with various heat flux densities. The equivalent heat conductivity coefficient (EHCC) of the aluminous vapor chamber is obtained by simulation in FLUENT software. Results show that the heat conduction ability of the aluminous vapor chamber is better than copper plate with same size in case that the heat flux density is higher than 35 W/cm2, its maximum EHCC reaches 470 W/(m·K). On the other hand, the equivalent density of the aluminous vapor chamber is only 60% of pure aluminum. Therefore, comparing to traditional metal heat spreader, aluminous vapor chamber has the advantages of both high heat conduction ability and low density. It is a new practical heat dissipation method for electronic devices with high heat flux.

high heat flux; electronic device cooling; aluminous vapor chamber; heat spreader; equivalent heat conductivity coefficient

2014-08-22

TK124

A

1008-5300(2014)06-0009-03

楊冬梅(1974-)，女，高級工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)熱設(shè)計(jì)工作。