應(yīng)用相變材料的散熱技術(shù)概述

萬澤明

摘 要：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展以及電子設(shè)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(shè)備的散熱中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對電子設(shè)備中應(yīng)用相變材料的散熱裝置的改進(jìn)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：相變材料;散熱裝置;技術(shù)發(fā)展

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

0 前言

隨著電子設(shè)備體積的薄型化、功能的多樣化及智能化發(fā)展，其內(nèi)部芯片處理性能不斷提升，功耗不斷增大，與之相應(yīng)的發(fā)熱量也越來越高;而電子設(shè)備溫度過高不僅影響用戶的體驗(yàn)，而且會對電子設(shè)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(qū)動力、無噪聲等優(yōu)勢而在電子設(shè)備的散熱中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前應(yīng)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(dǎo)，主要是由一側(cè)平面吸收熱源熱量，再經(jīng)由內(nèi)部的相變材料將熱量傳導(dǎo)至另一側(cè)進(jìn)行散發(fā)。而熱管作為一種遠(yuǎn)端散熱元件，其由一端（吸熱端）吸附熱量將內(nèi)部工作流體由液態(tài)轉(zhuǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(nèi)部相變導(dǎo)熱工質(zhì)的吸液芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，例如，改變吸液芯的孔隙率布置提高工質(zhì)回流效率，在均溫板或平板熱管內(nèi)部設(shè)置金屬或者毛細(xì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的支撐柱促進(jìn)工質(zhì)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(jìn)熱傳導(dǎo)效率。在另一方面，通過改進(jìn)管體與相變工質(zhì)之間的換熱結(jié)構(gòu)以促進(jìn)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(nèi)部設(shè)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(nèi)壁設(shè)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(dǎo)至遠(yuǎn)端，并不能解決熱源附近處溫度過高、不能消除熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)均溫;而均溫板用于將熱量從其一側(cè)平面?zhèn)鲗?dǎo)至相對的另一側(cè)平面，其無法將熱量傳導(dǎo)至遠(yuǎn)處散發(fā)，若冷凝面的熱量不能及時(shí)散發(fā)，將導(dǎo)致熱量積攢于熱源附近，從而得不到及時(shí)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(diǎn)并將熱量引導(dǎo)至遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行組合從而獲得兼具均溫與遠(yuǎn)端散熱效果的方案（也稱為三維導(dǎo)熱或立體導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)）。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(gè)分隔的腔室，兩個(gè)腔室內(nèi)均填充相變材料工質(zhì)，其中第一腔相當(dāng)于一均溫板結(jié)構(gòu)，第二腔向遠(yuǎn)端延伸相當(dāng)于一熱管結(jié)構(gòu)，由此，熱源產(chǎn)生的熱量一方面通過第一腔進(jìn)行大面積均溫散熱，同時(shí)還可透過第二腔將熱量傳導(dǎo)至遠(yuǎn)端散發(fā)，從而同時(shí)兼具大面積均溫以及遠(yuǎn)端散熱效果。與此同時(shí)，對于熱管結(jié)構(gòu)與均溫板結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合，還可通過焊接或粘接等方式進(jìn)行[2-3]，同樣可獲得同時(shí)兼具均溫與遠(yuǎn)端散熱效果的散熱結(jié)構(gòu)的方案。

3 工作溫度范圍的改進(jìn)

由于電子設(shè)備在使用過程中可能存在瞬時(shí)熱載荷變化較大的情形，而此時(shí)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(dǎo)熱腔室分隔為兩個(gè)腔室，并且使該兩個(gè)腔室分別具有不同的工作溫度的技術(shù)方案，從而滿足具有較大工作溫度范圍需求的應(yīng)用場合。而為了使兩個(gè)腔室具有不同的工作溫度，一般通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是在兩個(gè)腔室內(nèi)分別填充具有不同相變溫度的材料[4-5];二是在兩個(gè)腔室內(nèi)相變填充材料相同的情況下，為兩個(gè)腔室設(shè)置不同的真空度，從而使得兩個(gè)腔室具有不同的工作溫度范圍[6]。

4 結(jié)語

本文對現(xiàn)有相變材料的散熱應(yīng)用及技術(shù)改進(jìn)進(jìn)行了簡單梳理，電子設(shè)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(shí)體積越來越小，導(dǎo)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(jié)構(gòu)的散熱性能以適應(yīng)日益提高的散熱需求，仍是需要進(jìn)一步探索與研究的問題。

參考文獻(xiàn)：

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