应用相变材料的散热技术概述

万泽明

摘 要：随着半导体技术的发展以及电子设备功能的集成化需求，对散热的要求也越来越高。相变材料在发生相变的过程中需要吸收或释放大量的热量，其在电子设备的散热中得到了广泛的应用。本文针对电子设备中应用相变材料的散热装置的改进及相关技术发展进行了概述。

关键词：相变材料;散热装置;技术发展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.058

0 前言

随着电子设备体积的薄型化、功能的多样化及智能化发展，其内部芯片处理性能不断提升，功耗不断增大，与之相应的发热量也越来越高;而电子设备温度过高不仅影响用户的体验，而且会对电子设备的安全工作以及使用寿命等造成不良影响。相变材料由于其优异的吸热、储热能力以及无需外部驱动力、无噪声等优势而在电子设备的散热中得到了广泛的应用。

目前应用相变材料的散热装置主要包括均温板和热管。均温板为一种面与面的均匀热传导，主要是由一侧平面吸收热源热量，再经由内部的相变材料将热量传导至另一侧进行散发。而热管作为一种远端散热元件，其由一端（吸热端）吸附热量将内部工作流体由液态转换为汽态蒸发将热量传递至热管另一端（散热端）。

1 散热装置内部结构

为了提高上述使用相变材料的散热元件的散热性能，一般对热管内部相变导热工质的吸液芯结构进行改进，例如，改变吸液芯的孔隙率布置提高工质回流效率，在均温板或平板热管内部设置金属或者毛细结构构成的支撑柱促进工质从冷凝面回流至蒸发面，从而避免在蒸发面处出现干烧，促进热传导效率。在另一方面，通过改进管体与相变工质之间的换热结构以促进二者之间的热交换效率，例如，在热管的蒸发端和冷凝端管体内部设置凹槽、凸肋等增大换热面积，在均温板的蒸发面和冷凝面内壁设置微翅片或针肋等形成微槽道或针肋阵列而增大换热面积，提高散热效率。

2 立体散热

如前文所述，热管用于将热量传导至远端，并不能解决热源附近处温度过高、不能消除热点实现均温;而均温板用于将热量从其一侧平面传导至相对的另一侧平面，其无法将热量传导至远处散发，若冷凝面的热量不能及时散发，将导致热量积攒于热源附近，从而得不到及时散发热源热量、降低温度的效果。可见，二者均为单一解决方案的散热元件，其不能兼具消除热点并将热量引导至远端散发的散热效果，因而在发热量较大的情况下不能有效地对发热源进行降温。

為了解决这一问题，研究人员提出了将热管与均温板进行组合从而获得兼具均温与远端散热效果的方案（也称为三维导热或立体导热结构）。其中，陈志明[1]提出了一种一体成型的散热单元，该一体成型的散热单元包括两个分隔的腔室，两个腔室内均填充相变材料工质，其中第一腔相当于一均温板结构，第二腔向远端延伸相当于一热管结构，由此，热源产生的热量一方面通过第一腔进行大面积均温散热，同时还可透过第二腔将热量传导至远端散发，从而同时兼具大面积均温以及远端散热效果。与此同时，对于热管结构与均温板结构之间的结合，还可通过焊接或粘接等方式进行[2-3]，同样可获得同时兼具均温与远端散热效果的散热结构的方案。

3 工作温度范围的改进

由于电子设备在使用过程中可能存在瞬时热载荷变化较大的情形，而此时对散热元件的工作温度范围提出了更高的要求。

针对这一问题，研究人员提出了将相变导热腔室分隔为两个腔室，并且使该两个腔室分别具有不同的工作温度的技术方案，从而满足具有较大工作温度范围需求的应用场合。而为了使两个腔室具有不同的工作温度，一般通过两种方式实现：一是在两个腔室内分别填充具有不同相变温度的材料[4-5];二是在两个腔室内相变填充材料相同的情况下，为两个腔室设置不同的真空度，从而使得两个腔室具有不同的工作温度范围[6]。

4 结语

本文对现有相变材料的散热应用及技术改进进行了简单梳理，电子设备中的高性能芯片等电子器件日益集成化，电子器件的功率越来越大的同时体积越来越小，导致这些器件的热流密度日益增加，如何提高相变材料散热结构的散热性能以适应日益提高的散热需求，仍是需要进一步探索与研究的问题。

参考文献：

[1]陈志明.散热单元[P].中国专利：CN107072105A，2017-08-18.

[2]刘艳.一种复合型3D均温板[P].中国专利：CN208835040U，2019-05-07.

[3]Hsiu-Wei Yang.Thermal Module[P].美国专利：US10107558B2，2018-10-23.

[4]关洪宇，刘巨，于善猛，关奉伟.一种相变均热板[P].中国专利：CN107635380 A，2018-01-26.

[5]谢铮玟，廖文能，黄庭强.散热单元[P].中国专利：CN103547113B，2017-01-18.

[6]张俊毅.热管及其制备方法[P].中国专利：CN100529636C，2009-08-19.