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寧波生久科技有限公司
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權限 | 權限描述 | 使用目的 |
定位權限 | 獲取定位信息 | 安卓底層要求連接藍牙設備時需要同步獲取定位權限 |
藍牙權限 | 連接藍牙設備 | 對藍牙鎖具或產品進行操作 |
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摘要
以熱管、VC(Vapor Chamber)為代表的相變傳熱技術,具備遠高于傳統材料的導熱能力,是解決日益增長的產品散熱需求的關鍵技術。
近年來,鋁基兩相散熱器成為行業中的研究熱點之一。鋁基兩相散熱器的研究和應用,符合通信產品在散熱方面高性能、輕量化、低成本的發展趨勢,具有非常重要的意義。
關鍵字:5G;相變傳熱;鋁基兩相散熱器
1 散熱器技術的演進
散熱是保障電子設備與產品長期安全可靠運行的重要環節。作為芯片等熱耗器件應用最密集的領域,通訊和信息技術的發展促進了散熱或熱設計成為一個系統性的行業,電力、安防、消費電子、汽車、LED等領域的研發也越來越重視產品的散熱性能,以期在市場競爭力上擁有更多優勢。
當前,5G通訊、信息產品整體向更大容量、更高性能、節能低噪的目標發展。設備集成化程度越來越高,單芯片功能更強大,功耗大幅增長,但布局卻更緊湊,熱流密度成倍攀升,散熱技術面臨嚴峻的挑戰。
傳統的散熱系統主要依賴單相材料導熱將熱量從器件傳導至散熱器表面,再由空氣通過自然對流(自然散熱系統)或強迫對流(強迫風冷系統)將熱量散到環境中。熱傳導的效率取決于同時也受限于材料固有的導熱性能。
而以熱管、VC(Vapor Chamber)為代表的相變傳熱技術,是利用介質在高溫區域(熱源區)沸騰、在低溫區域冷凝,同時吸收或釋放相應的相變潛熱,交替循環,實現熱量的迅速擴散或遷移。潛熱的吸收和釋放是一個迅速高效的過程,且采用兩相傳熱通常也會選擇潛熱較大的工質,因此傳熱效率極高,等效導熱系數可以達到4000 W/m·K以上,遠超金、銀、銅、鋁等純金屬材料(200~400 W/m·K),能夠支撐傳統散熱器無法滿足的更大功耗、更高熱流密度傳熱需求。同時,可與多種冷源形式(自然對流、強迫風冷、液冷、輻射等)相匹配,應用形式靈活多樣。
從最早提出且目前已大量成熟應用的熱管,相繼演化出VC均熱板、3DVC散熱器、Thermosyphon熱虹吸、LTS環路熱虹吸、LHP環路熱管等多種形態,廣泛適用于各類產品,針對器件功耗大、熱流密度高、均溫性差等問題,解決傳統散熱器無法滿足的散熱需求,成為當前散熱領域重點關注和發展的方向。
2 鋁基兩相散熱器技術的發展
VC均熱板是目前除熱管外工藝較為成熟,在通信、電子行業應用最廣泛的一類相變傳熱產品。典型的VC為扁平封閉式形態,由殼體、毛細結構、支撐結構和工質組成,通過工質的蒸發冷凝和毛細輸運實現高效熱傳導,將熱量從集中區域擴散至整個結構平面。得益于大面積毛細特性與二維甚至三維熱擴散的優勢,VC具有更高的熱流密度承載能力。尤其針對熱流密度超過50W/cm2的電子器件冷卻,均溫效果顯著勝過純金屬或嵌熱管式散熱基板,能夠大幅提升散熱器效率。
VC的殼體通常采用金屬材料,包括銅、鈦、鋁、不銹鋼等。因銅材的導熱性能好,具有良好的機械加工性能和焊接性能,成型工藝相對簡單、精度較高,目前絕大部分VC都采用銅材薄板沖壓成型而制成。而在軍工或航空航天領域,為了實現輕量化,通常使用鋁材作為VC的殼體材料。近年來,為了滿足降本降重的市場需求,在民用產品散熱領域,也逐步開展了對鋁基兩相散熱器的探索。
表1 鈦、銅、鋁性能對比
與銅VC相比,鋁VC主要有以下兩個差異點:1、鋁材與水不相容,容易發生反應生成不凝氣體;2、鋁材加工性能和焊接性能較差。這兩點的存在,也是造成鋁VC性能難以持續提升的主要原因。
兩相散熱器中,工質基于工作溫區、材料相容性、熱物性等因素進行選擇。由于相容性的問題,鋁VC主要選用冷媒工質(如R1233zd、R134a等),這類工質作為冷卻介質已有較成熟的民用基礎。然而,相較于銅VC中使用的工質—水,冷媒的表面張力及汽化潛熱較低,導致鋁VC中工質回流速度和傳熱能力均不如銅VC,也使得鋁VC性能相對銅VC存在一定差距。
毛細芯(或稱吸液芯)是熱管、VC等毛細驅動熱輸送或熱擴散裝置的重要組成部分,其結構型式直接影響到傳熱換熱的性能與熱流密度承載能力。考慮到鋁材加工工藝可行性,鋁VC采用的毛細芯結構主要包括:溝槽型、粉末燒結型、纖維燒結型、編織網型。就目前情況來看,鋁材極易在表面形成一層致密的氧化膜,而氧化鋁熔點高達2000℃,會對鋁粉的燒結、焊接帶來影響。因此,鋁VC的加工環境要求比銅VC更為苛刻,熱處理工藝(比如燒結、焊接)均需要在真空或還原劑保護下進行。
以上這些型式可以看作是毛細芯的基本結構,而為了進一步提升鋁VC的熱擴散性能與熱流密度承載能力,學術界也對其進行了一些更為細致的研究:通過犁切-擠壓工藝,在鋁板上加工出高深寬比槽道,作為鋁VC的毛細結構,如圖5所示[2];通過在鋁基板上加工輻
射微通道,建立冷媒工質循環回路,如圖6所示[3]。其目的均在于避免鋁材的熱加工,以更簡單的工藝實現毛細芯的加工。
此外,在鋁VC的基礎上,為了進一步提升散熱器豎直方向上的均溫性能,鋁3DVC也開始蓬勃發展。鋁3DVC散熱器可視作由水平VC與豎直VC組合而成,兩者一體焊接成型,內部空腔連為一體。工質在熱源區受熱沸騰蒸發后,蒸汽工質不僅在二維方向上擴散,也沿著豎直空腔向上擴散,實現熱量在三維方向上的傳遞。鋁3DVC在大幅提升翅片效率,降低散熱器熱阻的同時,還能實現散熱器的降本降重,具有良好的應用前景。
圖7 鋁3DVC散熱器基本原理
不同于銅基兩相散熱器較為成熟的工藝,鋁基兩相散熱器的工藝目前還在探索中,目前仍然存在吸液芯加工較為困難、焊接工藝效率低及良品穩定性差等問題,需要在后續的研究中予以解決。
3 總結與展望
鋁基兩相散熱器以其低成本、低重量、較高傳熱效率的優勢,成為了散熱行業內的研究熱點之一,其關鍵的技術點包括:1)鋁材的加工工藝優化研究(包括燒結工藝、焊接工藝);2)毛細結構的設計優化;3)工質的選擇及優化;4)針對具體應用場景的可靠性分析。以上問題都有賴于行業內的共同探索。
寧波生久科技有限公司作為散熱器領域的后起之秀,長期在鋁基兩相散熱器的設計開發大力投入,致力于為客戶提供品質優秀、更具性價比的民族品牌選擇。未來寧波生久科技有限公司也將與中興通訊熱設計團隊緊密配合,對鋁基兩相散熱器的技術研究和落地應用展開深入探索,將其打造為散熱技術的一把強弓,在5G通信發展中貢獻更大的力量。
參考文獻
[1] 陳杰凌. 基于多孔吸液芯的超薄鋁平板熱管的制造及其傳熱性能研究[D]. 華南理工大學.
[2] 唐恒, 湯勇, 萬珍平,等. 平板鋁熱管微溝槽吸液芯的制備及毛細性能研究[J]. 機械工程學報, 2019(6):8.
[3] A Y T C , B S W K , B Y H H , et al. Feasibility study of an aluminum vapor chamber with radial grooved and sintered powders wick structures[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 51( 1–2):864-870.