超薄均熱板之技術與發展趨勢

 

刊登日期:2020/4/5
  • 字級

許嘉政/工研院材化所
 
超薄均熱板被視為5G高傳輸設備之最佳散熱方案,其操作原理是利用內部兩相蒸發和冷凝之現象,將熱量傳遞到整個均熱板平面上。超薄均熱板具有低熱阻和高溫度均勻性的特色,因此適用於高熱通量5G通訊用的散熱元件。在發展高效能之超薄均熱板研究中,我們利用高強度與高熱傳性之Cu合金,取代超薄均熱板傳統之純銅殼體結構,發展高滲透性之多孔金屬毛細結構,來提升毛細現象之整體效能,並且利用固態金屬材料低溫擴散接合方式進行封合組裝,成功開發厚度小於0.4 mm之超薄均熱板。
 
【內文精選】
前 言
全球第五代行動通訊(5G)陸續商轉,物聯網、車聯網、智慧製造、智慧城市與汽車走向智慧化自動駕駛等5G新興應用,將帶動5G產業的蓬勃發展;而相關需求之零組件規格提升,也將挑戰面臨5G高傳輸裝置設備中的熱管理問題。
 
除此之外,隨著電子產品走向輕薄化趨勢,因其散熱面積及空間有一定程度的限制,因此目前散熱模組廠商皆朝著薄型散熱元件進行研發,如超薄熱管(Heat Pipe)及超薄均熱板(Vapor Chamber)等方向來發展。預測在人工智慧(AI)與5G世代來臨之際,散熱產業在伺服器、手機、電競等應用市場上扮演舉足輕重的腳色;因超薄均熱板(Ultra-thin Vapor Chamber)之解熱能力又是超薄熱管之數倍,故被視為5G最佳散熱元件,為未來5G智慧型手機之主流散熱方案。
 
超薄均熱片之技術開發
1. 均熱板之原理與組成
均熱板與熱管的原理相同,都是在真空的腔體內,透過液相氣化及流動來傳導熱量,其不同的地方在於熱傳的路徑。熱管是一維的熱傳路徑,是線的熱傳導方式,而均熱板是二維的熱傳路徑,是面的熱傳導方式。均熱板之運作方式如圖一所示,當熱由熱源傳導至蒸發區時,均熱板之低真空之腔體裡面的工作流體,會產生液相氣化變成氣相之現象,這時蒸氣之工作流體因吸收熱能體積迅速膨脹,並往壓力低的地方移動,而當蒸氣接觸到一個比較冷的區域時會產生凝結的現象,藉由凝結的現象釋放出在蒸發時累積的熱再次冷凝變回液體,最後再藉由腔體壁的毛細作用回流到蒸發熱源處。此運作將在均熱板腔體內重覆進行,形成一個循環的散熱系統。
 
圖一、均熱板之運作方式
圖一、均熱板之運作方式
 
2. 均熱板薄型化之問題與解決方案
(2) 高滲透性之多孔金屬毛細結構
超薄均熱板之薄型化過程中,毛細結構之傳輸性能也極為重要。目前可知均熱板的最大傳熱能力隨著厚度的減小而降低,由厚度薄型化所引起的蒸氣和液體流道的體積變化,是導熱性能變低的主要原因。因此,可以透過內部毛細結構之優化與設計,重新分配並最佳化蒸氣和液體通道的體積,以減小薄型化後厚度對超薄均熱板的傳熱性能之影響。毛細結構的開發對超薄均熱板之另一關鍵問題為其量產後的良率,主因是目前均熱板之毛細結構以銅粉充填燒結為主,但因為是隨機燒結,故無法控制其燒結之結構與特性,因此產品良率較低。
 
工研院利用高質傳多孔金屬毛細結構(Wick Structure of Porous Metal)之開發,來改善銅粉隨機充填燒結後,毛細現象傳輸效率不佳之問題。以本研究開發之多孔銅材為例,為何選擇多孔銅材來做為超薄均熱板之毛細結構?主要是因為多孔銅材有質量輕、孔隙率高、比表面積大及高滲透性之特性。此多孔銅材是利用粉末冶金方式製作成多孔材料,將銅粉與造孔劑按照體積比配料,另與黏結劑進行均勻混料,利用真空熱壓爐熱壓成型所需之毛細結構尺寸與厚度,經高溫燒結成如圖三所示之多孔銅材。此多孔銅材可藉由調整造孔劑之尺寸大小來控制開孔尺寸之大小,並且可得高孔隙率之多孔銅材。另外在高質傳多孔金屬毛細結構之開發,則引入人工智慧(AI)做為輔助工具…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖三、多孔銅材之微結構
圖三、多孔銅材之微結構
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》400期,更多資料請見下方附檔。

分享