5G高速裝置超薄熱傳元件技術開發

 

刊登日期:2018/10/5
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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
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
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。


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