在輕薄小型化的便攜設備中，水漲船高的高功率芯片所產生的非均勻分布熱點散熱問題，已經嚴重影響設備的效率、穩定和可靠的運行壽命，日益凸顯的“熱障”問題對摩爾定律提出了重要挑戰，高性能高效散熱技術在移動設備中的應用迫在眉睫。本文針對均熱板技術較傳統冷卻技術的優勢，探討超薄均熱板在熱流密度越來越大的便攜移動設備中升級換代的應用，論述了發展過程中的問題和方向。

2017年，IBM宣布已經突破了5 nm制程的芯片制造技術，這使得一個指甲蓋大小的單個芯片上的晶體管數量可以高達300億個，其計算性能將得到大幅提升。而對小制程的追求源于芯片高度集成化和輕量化發展的趨勢，芯片的高度集成化導致其發熱問題日益嚴峻。小型化移動終端內部產生的超高熱量，需要有更好的導熱件來滿足高熱流密度的傳熱需求，散熱問題成為制約該類產品發展的核心要素之一。

1均熱板介紹

均溫板又稱均熱板，簡稱 VC（Vapor chamber）板，它利用密封空間內的冷卻工質相變蒸發而將熱量迅速擴散到腔體，在冷凝端，工質冷凝為液體后，通過毛細力、重力又回流到熱源端。（如圖1所示）

圖1 均熱板內部工作機理和結構

均熱板就是上述這種典型的相變導熱器件，相變傳熱元件的熱導率遠超傳統散熱器件的熱導率（如圖2所示），其熱導率（大于 5000 W/(m 2 · ) ℃ ）可以達到傳統導熱方式的幾十倍以上（空氣對流、液體對流的導熱系數分別為10100，1001000 W/(m 2 ·℃)）。另外，由于均熱板為二維面與面熱傳導，與熱管為一維線性的熱傳導相比，均溫板熱傳遞的效率更高（如圖3所示）。由于其良好的導熱性能，被廣泛應用于高熱流密度的電子芯片散熱，如智能手機芯片、筆記本和服務器等產品，是解決當前高熱流密度問題的最佳方式。

圖2 不同散熱材料/器件的導熱效率

圖3 均熱板與熱管的散熱機制

2國內外研究現狀

移動便攜設備（尤其是手機）體積越來越小，為了提高散熱效果，均采用相變導熱器件（如圖4所示）。而手機機體總厚度下降到8 mm以下時，迫切需要超薄均熱板，尤其是總厚度 0.8 mm 以下的均熱板，這樣的超薄均熱板其內部腔體厚度已經下降到了極限，導致蒸汽腔的熱阻陡然上升。通常情況下，一般把總厚度 2 mm 以下的均熱板稱為超薄均熱板，當均熱板厚度下降到一定程度時，其蒸發腔的熱阻將大幅度上升，傳熱效率也因均熱板厚度減小而降低。

圖4 均熱板組合散熱成為主流

近年來，均熱板技術演進方向主要集中于以下幾個方面：一是均熱板選材多樣化，受益于中框-VC一體化散熱解決方案，不銹鋼VC嶄露頭角；二是封裝工藝正在變革，激光封裝有望替代鍍銅釬焊封裝制程；三是超薄VC銅網燒結毛細制程有望被打破，毛細制程多樣化，印刷毛細與半導體光罩蝕刻毛細嶄露頭角；四是厚度進一步下探，VC均熱板有望薄至0.3mm以下（如圖5所示）。

學術界對普通銅質均熱板的研究比較深入，大多數文獻集中在均熱板的成形工藝、吸液芯結構優化、工質傳輸特性及制造工藝改善研究等方面。目前均熱板其材質主要采用銅質，對于鋁質材料的熱管和均熱板，目前學術界研究的成果還非常少，可以查閱的文獻不多。

隨著先進制造、綠色制造等先進理念深入人心，學術界加大了輕質材料焊接工藝的研究，如李維偉對 5083 鋁合金擴散焊接工藝進行了研究。鋁合金焊接的困難在于鋁合金表面氧化膜的存在，阻礙了原子的擴散，因此如何去除鋁合金的氧化膜，并防止氧化膜的二次產生是鋁合金擴散焊接的關鍵要素。鋁合金焊接采用擴散焊方法是可行的，缺點是耗時長，效率低。

于前采用真空擴散焊對 AZ91鎂合金/7075 鋁合金進行了擴散連接，對焊接接頭進行金相顯微組織分析，并利用顯微硬度計和微機控制電子萬能試驗機對接頭界面擴散區的顯微硬度和接頭抗剪強度進行分析。

牛志偉對鋁合金6063 微流道散熱板采用了真空擴散焊，并研究了鋁合金擴散焊界面的組織形態及界面結合力，以及擴散焊接頭的微觀組織及力學性能。

3存在的問題

1）超薄均熱板良品率低。均熱板總體厚度下降到 0.8 mm 后，其整體強度差，容易變形，上下蓋板封裝焊接困難，且制作良品率低等，封裝焊接工藝有待突破。制造過程中需要成本低廉，且成熟有效的成形工藝。

2）采用鋁鎂材料的均熱板制作工藝研究不足。因為鋁鎂合金的表面極易氧化，焊接困難。目前主要采用氣氛擴散焊工藝，但是對于超薄型輕質材料的擴散焊接，目前的研究成果還非常少，尤其是對材料壁厚度為 0.2 mm 鋁合金材料的焊接，幾乎是空白，沒有可查閱的文獻。

3）超薄均熱板吸液芯需進一步優化，需要進一步優化吸液芯結構，以及汽腔和液腔的最佳比例，以及制造過程中如何穩定地控制汽腔和液腔的比例，保證良品率的提升。

4）傳統數值仿真模型誤差大。超薄化對 VC 板傳熱帶來的熱質傳遞特性變化研究不足，文獻比較少。因均熱板厚度減小，外殼層的厚度、蒸汽腔以及吸液芯的厚度都會減小。均熱板結構抗變形能力隨著殼厚度的減小而減弱，蒸汽腔厚度的減小也增大了工質蒸發形成的飽和氣態工質向冷凝端流動的壓力損失，而吸液芯厚度的減小造成了工質在吸液芯結構中從冷凝端向蒸發端回流通道的流動壓力損失增大。均熱板的厚度并不是越小越好，而超薄均熱板的熱質傳遞特性理論分析的研究文獻較少。

4結論

未來，超薄均熱板的需求越來越大，尤其是總厚度在 0.8 mm 以下的均熱板。另外，輕量化趨勢推動超薄均熱板也會逐步采用鋁鎂合金等輕質材料。隨著先進制造、輕量化制造工藝的成熟，輕質超薄均熱板有著廣闊的應用前景，移動電子產品散熱器將迎來升級換代。

來源：移動室技術交流平臺

審核編輯：湯梓紅