[科普中国]-平板热管

简介

电力电子装置内部产生的高热流密度对装置的可靠性造成极大威胁。由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于 50%, 传热问题甚至成为了装置朝小型化方向发展的瓶颈。电子元件除了对最高温度的要求外, 对温度的均匀性也提出了要求。随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小（如微处理器的特征尺寸在 1990～2000 年内从 0.35 μm 减小到 0.18 μm）芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，这些都使芯片的热流密度迅速升高。因此电路及其芯片散热问题显得格外突出。而平板热管具有高的热导率和良好的均温性，成为解决电子散热问题的很有前途的技术之一1。

目前国内外的文献中对轴向平板热管研究较多, 径向平板热管通过降低热量传递方向上的热阻而达到高的热传导率, 这种热管传播器具有更大的冷却面积。由于质量轻、结构灵活、极高的导热性能等在很多方面都有广泛的应用。目前人们对平板热管的传热传质机理仍然缺少深入而准确的了解, 也没有建立起对平板热管设计的工作极限参数, 更缺少可靠的计算与设计方法。综述国内外热板的最新研究成果, 明确下一步的研究趋势和进展, 对电子元件冷却有重要的价值, 对于开发设计新型热板有重要意义。

平板热管的研究现状平板热管在微电子器件的散热和降低热流密度方面有着广阔的应用前景,对其进行的研究也在不断地深入。微型平板热管虽然结构简单,但是内部发生的物理过程十分复杂,影响热管传热性能的因素也较多。同时,微小型化使得热管的结构尺寸显著减小,内部物理过程的机理更趋于复杂,存在诸多不同于宏观情况的地方,进一步加大了研究的难度1。

综述国内外文献对平板热管的研究,主要集中在实验研究和理论研究两个方面。实验研究的难点在于平板热管实验件的加工上,微小型化使得传统的工艺无法满足要求,增加了加工难度,同时加工精度对实验测量数据的准确性有非常大的影响。理论研究在分析传热机理和高维度的数学建模上存在困难,一般的分析着重于热管传热特性的某一方面,综合考虑各因素后对其进行简化,从而建立相应的数学模型得到一些理论分析的结果。

平板热管工作原理平板热管属于热管的一种类型，并且平板热管比一般热管具有更加突出的优点，其形状非常有利于对集中热源进行热扩散。其工作原理为平板热管是一个内壁具有毛细结构的真空腔体，腔体抽成真空并充入工质，当热量由热源传导至蒸发区时，腔体里面的工质在低真空度的环境中会开始产生液相气化的现象，此时工质吸收热能并且体积迅速膨胀，气相的工质会很快充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象，从而释放出在蒸发时累积的热，凝结后的液相工质由于毛细结构的毛细吸附作用再回到蒸发热源处，此过程将在腔体内周而复始进行，如此循环便能带走模块产生的热量2。

平板热管与传统热管相比具有以下优点：

①能有效解决散热和减小温度梯度；

②平板热管通过降低热阻而达到高热导率，保证热量快速及时传递；

③用热管基板代替金属基板能大大强化基板的热扩散，热板的等温性也有益于降低热阻，为与电子元件一体化封装提供了条件，为此，平板热管正成为国内外热管界及热管厂家研究的一个热点领域。

加工制作技术采用传统加工技术产量低、代价高、机加工费时、报废率高，目前用金属辊压的方法来加工梯形槽，锯切加工矩形槽。这些加工方法的缺点是：毛细抽吸半径与烧结芯和金属网相比不是最小的，且要形成深槽不破坏壁面是困难的。另外，微型平板热管的加工方法大都采用分别加工上下基板，然后通过金属焊接或者键合等工艺实现上下基板的粘接。这样的工艺优点在于粘接牢靠、密封性好，但也存在加工难度大、设备造价高等问题。

刘晓为等3提出了一种微型平板热管的封装方法，他们采用低熔点金属作为焊料，通过特制模具对微热管壳体施加一定压力，在真空或者保护气体环境下加温熔化焊料金属，再冷却后，使得微型平板热管上下基板粘合在一起，以达到微热管的封装目的。该方法操作简单、成本低廉、连接稳定可靠，能够满足微型热管正常工作需求。 张晓东等4提出了一种热型连铸法制造槽道式平板热管。这种方法可以铸出截面形状复杂、壁薄、细小的铸件，且铸件表面光洁、尺寸准确，给热管设计提供了很大的方便和灵活性。

另外，平板热管内部毛细芯的制作也是需要解决的关键问题。目前制作毛细结构的方法主要有：烧结、铜网、沟槽以及金属薄膜等。其中 Thermacore（美国）、Fujikura（日本）为平板热管生产主要领导厂商，其毛细结构都是以铜粉烧结方式制作。国内的奇双、双鸿、超众、旭扬热导、鼎沛等公司亦有研发平板热管，都是以铜粉烧结为主。

结构的研究平板热管按照工质在蒸气腔内流动的方向和传热机理的不同, 可分为径向平板热管和轴向平板热管 2种。常见的芯体结构有 3 种:

( 1) 烧结金属粉末芯: 能提供大的毛细力, 但在液体流道会出现大的压降, 其渗透率较差, 其轴向的传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的传热能力小。

( 2) 槽道: 沿芯体的热阻低, 毛细力大多不足。传统工艺要达到更小的尺寸很困难。

( 3) 丝网屏芯: 流动热阻可以通过帮扎力度来控制, 比较灵活。主要缺点是温度降很大。

C. Gillot 等5计算发现槽芯尺寸在蒸发部分的有效导热系数很低。轴向槽的大尺寸限制了传热, 提出用硅制作热管槽道, 能达到 10 μm 的槽宽。结果表明: 用硅热管热量更均匀, 能使热阻降低。

Y. Avenas 等6试验表明: 硅热管的热阻比同尺寸的光硅管小 60%, 与同外形尺寸的光硅管相比在功率元件和热沉之间的热阻能降低 40%。

Liu 等提出在两层网屏之间用一列平行丝线连接。丝线为内部结构提供支撑来承受内部压力的变化,辅助流体的返回。结果表明: 屏网的数量对毛细压力有负作用。丝网数 150 时达到最大的传热能力。丝线直径的小增加引起传热能力的大幅增加。丝网层数增加能降低液体的摩擦压降, 增加流通面积而提高传热能力。厚度优化比数量优化明显。多层密网芯比单层疏网芯有更大的传热能力。采用传统加工技术产量低、代价高、机加工费时、报废率高。目前用金属辊压的方法来加工梯形槽, 锯切加工矩形槽。这些加工方法的缺点是: 毛细抽吸半径与烧结芯和金属网相比不是最小的,且要形成深槽不破坏壁面是困难的。7

Wright- Patterson 等提出芯体由金属丝线制成, 丝布制成矩形屏并且插入热管比机加工的固体壁更容易。屏的小核心作为抽吸芯, 矩形槽作为主要通道芯。目前对热管设计参数优化的报道文献很少。吴小平等对冷凝面积进行优化, 结果为 LeDLc=0.3～0.6, 热管直径越大, L 的优化比越小。这是因为大直径热管能够提供更大的蒸发面积而导致蒸发热阻降低。查阅文献, 我们发现没有统一的设计标准, 热板的研究仍然处于实验室阶段, 没有成批的生产。余小玲等对混合封装电力电子集成模块优化模拟发现, 当基板底面等温时, 模块的结壳热阻最小, 并且芯片之间完全没有热影响。在此设计准则的指导下, 我们设计开发了一种用于电力电子集成模块散热用的小型径向平板热管, 将铜基板中心部分做成空腔, 空腔内抽真空, 注入一定容量的工质, 以径向平板热管代替铜基板。试验结果表明: 平板热管促使基板等温性增强, 提高了模块热扩散能力, 有着良好的启动性能和等温性能。

从不平衡热力学最小熵增理论出发, 丁信伟等8对热虹吸管内的热力学特性进行了熵增分析的研究, 对过程优化、减小热损失有重要作用。对平板热沉进行了熵产最小的优化, 计算结果得到了试验验证。下一步要进行热管系统的熵产分析, 利用熵产最小和场协同原理进行径向平板热管的参数优化研究, 提出一种与电子装置一体化的新型热管。

平板热管的特点
平板热管由于其自身的结构特点,在热量传递中表现出了良好的工作特性,主要体现在以下几个方面1:

高效的导热性热管可将大量热量通过很小的面积远距离地传输而无需外加动力。平板热管相当于多只热管排列的散热元件,但与多只热管的排列相比,降低了管壁与管壁之间的接触热阻,具有更高的散热能力和效率[]。

热流密度的可变性当热管稳定工作时,加热段吸收的热量等于冷却段放出的热量。所以通过改变加热和冷却的面积,就可以将局部的大热流密度高效地扩展到一个大的散热区域,进而使整体热流密度减小。

优良的等温性平板热管不仅可以在轴向上进行传质换热,还可以进行径向的传质换热,使得热管壁面的温度梯度减小,均温效果十分明显。某些情况下整个散热区域的温差能控制在2℃之内,这样可以满足特殊场合电子元器件的要求,使电子元器件工作效率高。

热流方向的可逆性对于一根水平放置或处于失重状态的有芯热管,内部循环力是毛细力,只要一端受热即可作为蒸发段,另一端为冷凝段。而重力热管则没有这一特性。

结构适应性
由于热管的传热不受外形的影响,可以根据具体的场合对热管的冷凝段和蒸发段分别进行设计,而且更安全可靠,可以长期运行。平板热管正是应用这一原理对常规热管进行改进,将其与电子器件之间的接触面做成规整的平面形状,与圆形截面热管或其他截面形状的热管相比,具有更大面积直接贴附热源而无需配加鞍座结构,降低系统的接触热阻,并可应用在笔一记本电脑NB、掌上电脑IMPC、机顶盒STB与多功能行动电话等轻薄短小、空间受限及高发热密度的电子产品

毛细限和沸腾限的研究对于热板来说, 工质从蒸发端蒸发, 通过横截面积比较大的蒸气腔, 然后到达冷凝端进行冷凝。此时的蒸气流速比较低, 因此热板设计时不需要考虑声速限、携带限。另外,由于热板上下表面间的距离很小, 蒸气在两表面间流动的压力损失很小, 因此沸腾限和毛细限是影响热板性能的主要因素。毛细芯中的汽化核心阻碍了液体循环, 会导致过高的局部热流及毛细限的极大降低和局部热点的出现。

Krustalev D 等1通过守恒方程对微槽平板热管的最大传热能力进行了研究, 得到以下几个结论:

( 1) 单位宽度上槽道数增加, 传热系数增大。

( 2) 从垂直放置的铜水热管传热能力曲线可知, 热管存在最佳宽度和最佳深度。

( 3) 在某一处是否出现沸腾取决于此处的弯月面半径和过热度。

Cao 等给出了沸腾极限时的蒸气的临界过热度以及临界热流。可以知道微型热管的沸腾极限不仅与热管的工况有关, 而且还依赖于小的蒸气以及不凝气体气泡的有效半径。范春利等也对微槽平板热管可能出现的沸腾极限进行了研究。N.J.Gernert 等研究了多个分散热源扁平热管的性能, 通过总结最大液体和蒸气压降可以确定所需的毛细压降, 从而确定吸液芯的的核心半径来提供必须的毛细压降以防止干涸。

液固接触角减小, 则最大传热热流增加。在一般情况下, 毛细限限制着热管的传热性能, 但在高工作温度尤其是在热管竖直放置时热管以沸腾极限为主。在有重力辅助的热管中, 只要气泡可以从蒸发段迅速逸出, 真正的沸腾极限实际上是膜态沸腾极限。槽道宽度小、深度大的平板热管, 传热能力更大。较短热管, 沸腾限是主要的; 长热管毛细限是主要的限制因素。

热源的影响热源在平板热管上的布置，对平板热管的均温性及散热效果具有较大的影响。对于单一热源加热的平板热管，热源多布置在板的中心以提高其均温能力。然而因为多热源分布造成不均匀的热负荷分布，以往应用于单热源热管传热研究的传统的分析方法将不再适用，对多个热源在平板热管上的分布和优化是一个崭新的研究领域。

Chang 等9研究了平板热管在非均匀加热条件下的蒸发传热性能。得到了与田金颖等2相似的结果：蒸发器的热阻对加热条件并不敏感，即蒸发器的热阻在不均匀的加热条件下与均匀加热条件相比变化不明显。 Tan 等
利用 Dirac Delta 函数将多个蒸发段模拟成点热源，认为液体压降最小时热管的传热能力最优，此时热源有最佳的布置方式：对单热源，最佳位置在平板热管的中央; 对双热源和 4 个热源，最佳位置在与平板热管的中心对称的位置上。

展望近年来研究开发小型电子冷却用热板已成为国内外热管界及热管厂家的一个热点领域。理论和试验研究结果均表明平板热管具有非常好的传热性能。但是, 国内在这方面的研究、特别是在径向平板热管的研究尚处于起步阶段,在国内的电子市场上尚未看到有成熟的热板产品出现。平板热管的研究和应用还面临很多挑战。2

( 1) 蒸气流动和传热过程已经进行了深入研究, 在蒸气腔中这些过程耦合液体的流动没有引起足够的重视, 热板的理论模型还停留在一维模型上, 大多为经验公式。还需建立复杂的三维模型。

( 2) 热管的内部结构还需进一步的优化。利用热力学第二定律来确定 的位置, 进行熵产分析来优化系统的性能和效率。优化蒸发面积, 使热量能够传到更大的冷却面积上。
( 3) 对材料和元件进行热和受力分析, 改进封装工艺。
( 4) 依据热势能耗散最小, 分析优化热管的传热, 与熵产最小的优化结果进行对比分析; 热管技术如何与其他领域研究相互配合、协同发展, 是微流动系统研究的另一重要挑战。

( 5) 对多个热源在平板热管上的的分布和优化是一个崭新的研究领域。
( 6) 加工制作过程中对热板的尺寸、形状、工质的充装量等的精确控制还面临很大困难。
( 7) 加工费用比较昂贵, 报废率高, 加工工艺有待完善。
( 8) 热管结构的可靠性以及热管性能能否长时间的保持, 还有待研究。
( 9) 平板热管用于能量转换是一项很有意义的研究, 有待进一步深入。