行動裝置之散熱對策

刊登日期:2015/11/5
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4G飆速上網時代來臨,行動智慧裝置對影音傳輸需求速度越來越快,並朝向多功能、能耗密度更高及輕薄化的趨勢發展,不免讓人擔憂行動智慧裝置過熱的問題。傳統 PC 及筆電使用風扇的散熱方案,已無法使用在散熱面積小及厚度薄的行動智慧裝置上,目前只能靠薄型散熱材料及元件來解決散熱問題。

而行動智慧裝置除了散熱問題外,由於其使用時需貼近皮膚,根據國際安全標準 UL/IEC 62368-1 的規定,手持裝置的表面溫度僅可達到攝氏 48˚C,這也使得行動智慧裝置的散熱設計造成額外挑戰。因應輕薄型行動智慧裝置的散熱需求,本文將針對超高導熱人造石墨片、薄型熱管及均熱板等薄型散熱元件之發展趨勢做一完整介紹。
 
超高導熱人造石墨片
行動智慧裝置常用具有背膠之鋁箔、銅箔,及天然石墨片貼覆在處理器上做為熱解決方案。但因背膠之熱傳導率並不高,導致熱量會集中在處理器附近,無法快速熱傳遞至鋁箔、銅箔及天然石墨片。因此有業者採用類液態金屬(熱傳導率 3.3 W/m·K)取代背膠,此類液態金屬在 27˚C 開始工作,當到達 45˚C 時完全相變化為液態,完全隔離空氣並填補孔隙,利用相變化過程中之潛熱,快速將熱傳遞至石墨片散熱,提升散熱效能,此新型類液態金屬,經設計可保證在 70˚C 下不會有類液態金屬溢出等問題,確保散熱系統的穩定性,如圖三所示。
 

圖九、Apple
之iPhone 6採用人造石墨片
 
薄型熱管
傳統熱管是一個密閉的管狀容器,管的內壁運用燒結式、溝槽式、網目式及複合式等製程技術處理,使其具有毛細結構,然後抽真空使管內部處於低壓環境,讓工作流體受熱在低溫時即汽化,此時受熱端之蒸氣壓力會昇高,蒸氣會往冷凝端移動而產生蒸氣流,最後蒸氣在冷凝端冷卻後,將熱量釋放而凝結成液體,藉由毛細結構將工作流體帶回蒸發端,如此進行連續的熱循環。熱管直徑大多為 6mm,比行動智慧裝置還厚,無法直接應用在行動智慧裝置上,唯有透過薄型化之製程方法,才能將熱管厚度控制在 1mm以下。若直接將直徑 6mm熱管壓扁至 1mm以下,發現會有兩個主要缺陷,分別是蒸氣通道截面積變小,而使蒸氣壓損變大影響薄型熱管性能,以及熱管中央處凹陷,使薄型熱管與熱端或冷卻端接觸焊接時,因凹陷間隙而提高接觸熱阻,會降低薄型熱管性能。
 

圖十五、富士通薄型迴路式熱管
 
薄型均熱板
目前市面上智慧手機已有多款機種使用石墨片,或薄型熱管為其熱解決方案,但是還未見使用薄型均熱板之產品,綜觀其原因,為傳統的均熱板因上下板須有支撐柱,厚度很難小於 3mm,無法安裝於薄型化智慧手機中,均熱板若要降低厚度,則均熱板之外殼厚度將低於 0.2mm,甚至更薄,於抽真空後外殼會有凹陷問題。因此,外殼唯有使用硬度特別高之材料,才能解決外殼凹陷問題,如 Yang et al. 以微機電製程製作 0.2 mm × 0.2 mm 的點狀毛細結構,完成之矽基薄型均熱板尺寸為 35mm × 40mm × 1.525mm,並運用高速攝影機觀察工作流體在蒸發區及冷凝區之流動情形,並對毛細結構做優化設計,使毛細力大幅增加及減少流阻,提升矽基薄型均熱板性能……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:翁震灼、黃振東/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」347期,更多資料請見下方附檔。


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