铝基蒸汽腔在电子器件散热中的应用*

杨冬梅，赵 锐，战栋栋，辛晓峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

铝基蒸汽腔在电子器件散热中的应用*

杨冬梅，赵 锐，战栋栋，辛晓峰

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中针对高热流密度电子器件的散热，对铝基蒸汽腔的导热性能进行了实验研究。在不同的热流密度条件下，测试了电子器件和蒸汽腔的表面温度，并采用仿真反演法在FLUENT软件中求得铝基蒸汽腔的当量导热系数。结果表明，当电子器件的热流密度大于35 W/cm2时，铝基蒸汽腔的导热性能优于等尺寸的纯铜板，其当量导热系数最大可以达到470 W/(m·K)。另一方面，铝基蒸汽腔的等效密度仅为纯铝的60%。因此，相比传统的金属热扩展板，铝基蒸汽腔兼具高效导热性能和低密度两项优势，是一种新型实用的高热流密度电子器件散热手段。

高热流密度；电子器件散热；铝基蒸汽腔；热扩展；当量导热系数

引 言

过去的20年间，军用电子系统中的核心器件朝着大功率、小型化、高集成度的方向快速发展。时至今日，CMOS、射频功放MMIC芯片等器件的热流密度已经达到100 W/cm2以上，是10年前的5～10倍，器件的工作温度已经十分逼近临界温度[1]。在不久的将来，核心器件的热流密度将会达到200 W/cm2，电子系统的散热能力受到了严峻而急迫的挑战。相比而言，电子系统的散热设计框架并未发生重大变革，核心器件的热量经过层层传递，才能最终通过散热器排放到环境中去，而散热器上的热流密度只有2 W/cm2，与器件上的热流密度有着两个数量级的差距。因此，降低核心器件的热流密度，使之与末端冷却设备的热流密度相匹配，是核心器件散热的关键技术环节。

热扩展板是一种具有高导热性能的薄板，从核心器件吸收热量，然后将热量迅速扩展，降低热流密度，并传递至冷源。从传热机理上来讲，热扩展板的导热系数越高，热扩展板的热扩展性能越好。常规的热扩展板是铜基或铝基的实心金属板。铜基热扩展板的导热系数较高，达400 W/(m·K)，但密度很大(8.9 g/cm3)；铝基热扩展板密度较小(2.7 g/cm3)，但导热系数仅有180 W/(m·K)。新型热扩展板技术包括热管和蒸汽腔等。其中，蒸汽腔具有厚度小、自密封、无需用电等优点[2-3]。

蒸汽腔是一种中空的薄板，内部抽真空后填充传热介质，通过介质相变进行传热。热源下方的介质吸收热量，蒸发后在气动作用下流向冷段，然后在冷凝段凝结，将热量释放给冷源，之后在毛细力作用下流回热源下方，如此往复循环，实现持续热传递。

在现有文献报道中，蒸汽腔通常是铜基蒸汽腔，当量导热系数可达1 000 W/(m·K)，但等效密度仍比实心铝材大(典型值为5 g/cm3)。因此，使用铜基蒸汽腔代替纯金属热扩展板，会增加散热设备的重量，不适合在对重量要求苛刻的场合中使用。相比之下，铝基蒸汽腔的等效密度比实心铝材更小，导热性能优于纯铜，在机载场合具有更好的综合性能。然而，由于加工难度大等原因，铝基蒸汽腔在电子设备散热中的应用研究至今未见报道。

本文采用实验方法，研究了一种烧结芯铝基蒸汽腔(等效密度1.65 g/cm3，约为实心铝材的60%)的导热性能，分析了热源的热流密度对铝基蒸汽腔导热性能的影响。以此为基础，评价了铝基蒸汽腔作为热扩展板的应用价值，并为铝基蒸汽腔在电子散热技术中的应用方法提出了参考意见。

1 实验测试系统

本文参照典型军用电子器件的热扩展布置方式搭建了实验系统，如图1所示。待测件为一块最大外形为100 mm × 100 mm × 3 mm的铝基蒸汽腔，其冷段与一块宽度为15 mm的液冷冷板紧密连接，热段压接一个发热电阻作为模拟热源，发热电阻底面尺寸为15 mm × 15 mm。为减小接触热阻，所有接触面之间均填充导热硅脂。冷板与一台恒温液冷源相连，液冷源的供液温度26 ℃，冷却介质为体积密度66%的乙二醇水溶液。为减少待测件与环境之间的热交换，使用保温材料包裹整个待测单元。冷却液的供液流量和供液温度通过液冷源上的流量计和测温仪测量；发热电阻的发热量通过一个程控电源调节；发热电阻和蒸汽腔的表面温度通过T型热电偶测量，并使用电脑终端收集；测温点分布如图1所示。

图1 实验系统及待测件上测温点布置图

为比较铝基蒸汽腔和传统热扩展板的导热性能，本文将实验分为测试组和对照组。两组实验使用相同的测试条件和测试工况，测试组的待测件为铝基蒸汽腔，对照组的待测件为一块相同外形的纯铜板。

2 实验结果及分析

2.1 测试单元的温度分布

发热电阻的热量经过热扩展板传递至冷却液，因此，温度在测试单元的散热通径上逐渐降低，如图2所示。在使用蒸汽腔的测试单元中，热扩展板中部的温度(T2→T5)近似等于介质饱和温度，沿程的温度变化可以忽略，这一传热形式是蒸汽腔相对于纯铜热扩展板的主要优势。尽管蒸汽腔中部的传热性能极佳，蒸汽腔的整体导热性能却受到蒸发段(位于热源下方)和冷凝段(位于冷板下方)热阻的制约。进一步分析蒸汽腔的散热机理，发现蒸汽腔整体散热效果受到热流密度的影响。具体来说，当热源的热流密度较低时，蒸发段内的介质不能充分蒸发，未经蒸发的介质形成一层附着在腔体内表面的液膜，引起了额外的热阻，从而削弱了蒸汽腔的换热能力。随着热流密度升高，蒸汽腔中的介质蒸发量增大，蒸发段的液膜变薄，热阻减小，蒸汽腔的换热性能优势逐渐显现。这一趋势在图2中表现为：高热流密度条件下，蒸汽腔测试单元的热源温度低于纯铜板测试单元；相反，低热流密度条件下，蒸汽腔测试单元的热源温度高于纯铜板测试单元。另一方面，蒸发腔在冷凝段的热阻主要受到冷板表面积影响[4]。

图2 测试单元上的温度测试结果

2.2 铝基蒸汽腔的当量导热系数

蒸汽腔当量导热系数的定义：假定一块纯金属材料的导热系数等于蒸汽腔的当量导热系数，则该纯金属材料的导热性能与蒸汽腔等同。利用热学仿真手段，可以在仿真软件中假定一种金属材料，当该材料的导热系数与蒸汽腔的当量导热系数相等时，仿真结果中的发热电阻温度(T1)等于实验测试结果。考虑到多工况实验过程中保持了相同的接触条件、供液流量、供液温度等参数，因此在FLUENT仿真计算中可以利用多工况联立反推的方法获得冷凝段和蒸发段的接触热阻。结果表明：冷板与待测件之间的接触热阻为0.01 (℃·cm2)/W，发热电阻和待测件之间的接触热阻为0.05 (℃·cm2)/W。

图3给出了热流密度102 W/cm2条件下的仿真结果，热源温度为75.1 ℃，与相同热流密度下蒸汽腔测试单元中的热源温度相等。因此，可以认为蒸汽腔在102W/cm2热流密度条件下的当量导热系数与该算例中假定金属材料的导热系数相等，等于437 W/(m·K)。使用同样的仿真方法，反推得到了各种热流密度条件下的蒸汽腔当量导热系数，如图4所示。结果表明：随着热流密度的增大，蒸汽腔的导热性能提高，并在热流密度大于100 W/cm2时趋于稳定，达到约470 W/cm2；当热源的热流密度等于35 W/cm2时，蒸汽腔的导热性能与等尺寸的纯铜板相同。因此，建议在发热器件的热流密度≥35 W/cm2时，可以使用铝基蒸汽腔代替传统的纯金属热扩展板。

图3 仿真结果：测试单元的温度分布云图

图4 不同热流密度条件下的蒸汽腔当量导热系数

3 结束语

本文利用实验方法，研究了一种烧结芯铝基蒸汽腔的导热性能，在各种热流密度条件下获得了铝基蒸汽腔的当量导热系数。针对高热流密度电子器件的散热应用场合，比较了铝基蒸汽腔和传统金属热扩展板的散热性能，给出了铝基蒸汽腔在电子器件散热中的应用准则。结论如下：

1)热源热流密度等于35 W/cm2时，铝基蒸汽腔的导热性能与等尺寸的纯铜板相当；

2)随着热源热流密度的增大，铝基蒸汽腔的当量导热系数增大，最大可以达到470 W/(m·K)；

3)铝基蒸汽腔的当量密度约为等尺寸铝板的60%；

4)建议在热流密度大于35 W/cm2的条件下使用铝基蒸汽腔代替传统的金属热扩展板。

[1] 平丽浩, 钱吉裕, 徐德好. 电子装备热控新技术综述(上)[J]. 电子机械工程, 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] 莫冬传, 吕树申, 金积德. 高热流密度均温板的传热特性实验研究[J]. 工程热物理学报, 2008, 29(2): 317-319.

[4] 战栋栋, 钱吉裕. 热管导热板当量导热系数研究[J]. 电子机械工程, 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

杨冬梅(1974-)，女，高级工程师，主要从事机载雷达热设计工作。