隨著產業朝著5G未來發展，在選擇熱管理解決方案時需要考慮的更加周全。此外，隨著5G高速傳輸裝置規格的不斷進步，熱管理產業將獲得全新的機會，可以選擇與目前市場上傳統系統不同的散熱解決方案。隨著熱管理產業尋找這些新的解決方案，如能提供更小、可持續性、更高效能且更具成本效益的技術，將會在5G競賽上取得先機。
本文將從以下大綱，針對未來5G高速傳輸裝置之熱管理解決方案整理一相關簡介。
‧前言
‧5G高速傳輸裝置之散熱需求
1. Laser Cooling
2. Small Cell Cooling
3. Smartphone Cooling
‧超薄熱管/超薄均熱片在薄型化之發展現況
‧結語
【內文精選】
前言
5G之新技術令人興奮，因提高網路傳輸和響應速度，5G將為企業和消費者提供更多選擇性及便利性。5G原計畫將於2020年邁入商轉，但隨著全球電信和手機業者努力追趕進度，讓5G商用化進度不斷提早，有業者甚至提出2019年將是5G商轉的最好時機。據高通(Qualcomm)高層表示，全球第一款5G手機可能提前至2018下半年到來，甚至提到5G的下載速度大約在每秒1 Gb到4.5 Gb之間，初期5G傳輸速度將從2 Gbps或4 Gbps起跳，這大約是目前4G網路的2倍或4倍。
隨著5G高速傳輸技術規格的不斷進步，業界也將面臨5G高速傳輸裝置(5G High Speed Device)設備中熱管理(Thermal Management)問題之相關挑戰，因此必須思考如何迅速解決這些挑戰，以便為高速傳輸設備不同的操作環境提供可靠性、靈活性及正常運行時間，故急需要高效率的散熱元件來為新構建的5G高速傳輸裝置提供熱管理解決方案。
5G高速傳輸裝置之散熱需求
3. Smartphone Cooling
隨著智慧型手機大功率元件的使用，必須採取使手機降溫的方案，來防止手機過熱引起的當機或不安全的危害。目前市面上薄型熱管(0.5~0.6 mm)已開始導入至高階手機之散熱應用，如圖三所示。不同的手機製造商在過去幾年採用不同的散熱解決方案，如高導熱石墨或薄型熱管。高導熱石墨有高成本及無法大批量生產等瓶頸，因此目前薄型熱管漸漸成為高階手機解熱方案之主要趨勢，三星與華為等廠商之高階手機皆使用薄型熱管作為其散熱方案。
圖三、三星智慧型手機以薄型熱管作為解熱方案
超薄熱管/超薄均熱片在薄型化之發展現況
未來5G高速傳輸裝置之熱管理解決方案，超薄熱管/超薄均熱片占有重要地位。一般來說，平板式熱管可分為扁平熱管(FHP)和均熱片(VCs)，組成和操作原理很相似。超薄熱管/超薄均熱片在薄型化(≦0.3 mm)上出現許多重大瓶頸，目前國內外大廠均無法順利生產0.3 mm之超薄熱管或超薄均熱片。以超薄熱管來舉例說明，當熱管之厚度從0.5 mm變到0.3 mm時，超薄熱管之殼體厚度大約只有0.1 mm，故會因熱管薄殼純銅材料之強度不足，造成在彎折處極易破裂或變形，阻礙蒸氣通道；且也會因熱管運作時壓力差變化，在結構脆弱處容易被大氣壓力壓扁，或因內部壓力太大而爆管。以下簡單介紹關於目前超薄熱管/超薄均熱片在薄型化過程之研究近況。
Y. Li等人提出了一種新型燒結毛細結構之方法，稱為Bilateral Arch-shaped Sintered Wick (BASSW)結構用於超薄熱管，如圖六所示，BASSW結構燒結在超薄熱管之銅殼中間，因此蒸氣流道位於兩側。BASSW結構燒結有幾個最重要的參數，包括最大毛細結構之厚度、壓變平後之厚度和需要控制銅粉粒徑大小。在散熱性能方面，UTHP扁平之厚度對散熱性能有顯著影響，UTHP樣品的總熱阻範圍從0.02 K/W到0.60 K/W，最佳熱傳輸能力可高達25 W。
圖六、UTHP有BASSW粉體燒結毛細結構(a)製造參數圖；(b)毛細結構之SEM圖
工研院材化所高階熱管理設計與應用研究室在超薄熱管/超薄均熱片也有幾個研發重點。首先研發厚度0.1 mm之銅合金片材，此銅合金藉由材料組成與微結構最佳化設計，並利用析出強化且雙晶滑移之物理特性，操控此銅合金同時擁有高機械強度、好的延展性、高熱傳導係數之特性，以取代超薄熱管之薄殼純銅材料因強度不足極易造成彎折處破裂/變形、阻礙蒸氣通道之問題。另外在高質傳發泡金屬毛細結構之開發，則引入AI作為輔助工具，達到發泡金屬材料製程參數最佳化….....以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：許嘉政／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」382期，更多資料請見下方附檔。