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均熱板于信息產品散熱之應用


林道燊

  均熱板均溫性取代熱導管
  
  傳統上服務器與顯示適配器等易累積或產生高熱量之信息產品,其熱管理多以風扇或散熱模塊來實現。散熱模塊由實心壓鑄件(spreader)、熱導管(heat pipe)、熱交換鰭片(fin)、風扇組成。(復數)熱導管與壓鑄件組合之散熱效果雖較單一壓鑄件底座來得好,然散熱底座上近熱源點與遠熱源點溫差仍可達10℃以上,散熱效果仍未臻理想。均熱板(Vapor Chamber)之均溫性可針對此點改善,功能上取代實心壓鑄件與熱導管之組合。
  
  均熱板結構與規格
  
  
  均熱板外觀上為一平面板狀物,上下各有一蓋相互密合,其內有銅柱支撐。均熱板上下兩銅片以無氧銅為材質,通常以純水為工作流體,毛細結構以銅粉燒結或銅網之工藝制作。均熱板只要維持其平板特性,造型外廓上視應用之散熱模塊環境而定較無限制,使用時亦無置放角度上之限制。實際應用時在平板上任兩點所測得溫度差可小于10℃以內,較熱導管對熱源之傳導效果更均勻,均熱板之名亦因此而來。常見之均熱板其熱阻值為0.25℃/W,應用于0℃~100℃。
  
  
  均熱板之運作原理
  
  均熱板工作原理與熱導管者相同,包括了傳導、蒸發、對流、凝固四個主要步驟。均熱板是由純水注入布滿了微結構的容器而成的雙相流體裝置。熱由外部高溫區經由熱傳導進入板內,接近點熱源周遭的水會迅速地吸收熱量氣化成蒸氣,帶走大量的熱能。再利用水蒸氣的潛熱性,當板內蒸汽由高壓區擴散到低壓區(亦即低溫區)。蒸氣接觸到溫度較低的內壁時,水蒸氣會迅速地凝結成液體并放出熱能。凝結的水靠微結構的毛細作用流回熱源點,完成一個熱傳循環,形成一個水與水蒸氣并存的雙相循環系統。均熱板內水的氣化持續進行,隨著溫度的變化腔體內的壓力會隨之維持平衡。水在低溫運作時其熱傳導系數值較低,但因水的黏稠性會隨溫度不同而改變,故均熱板在5℃或10℃時也可運作。由于液體回流是借著毛細力作用,因此均熱板受重力的影響較小,應用系統設計空間的運用上就可為任何角度。均熱板無需電源亦無任何移動組件,是個完全密封的被動式裝置。
  
  AMD的ATI Radeon HD 2900 XT繪圖卡使用了Fujikura之均熱板解決方案的熱處理裝置。水平二維的均熱板將繪圖芯片的熱散至整個平面,更進一步藉由兩根輔助熱管把散去的熱推升至垂直鰭片上,形成了三維的熱管理。
  均熱板因溫度分布均勻,故熱阻值較低。Thermacore對電信系統使用三種冷卻方案之熱流分析顯示,僅使用鋁板散熱在點熱源仍可測得達112℃之高溫,而距點熱源遠程約為35℃,傳熱效果不甚理想,熱阻值為0.96℃/W。當鋁板加上3根熱導管后,熱源處可降至83℃,距熱源遠程升高為64℃,已改善傳熱效果,熱阻值為0.61℃/W。進一步使用均熱板,幾乎測得整個板子溫度分布在73℃上下,熱阻值為0.54℃/W。相較僅使用鋁板方案,均熱板對降溫改善約35%。
  
  
  銅網擴散接合與復合式微結構
  
  與熱導管不同,均熱板產品制作上先抽真空再注入純水,以便能填滿所有微結構。充填的工質不用甲醇、酒精、丙酮等,而是使用除氣的純水,就不會有環保問題,并可提升均熱板的效能及耐用度。均熱板內的微結構主要有兩種型態:粉末燒結、多層銅網,兩者的效果相同。但粉末燒結的微結構其粉末質量與燒結質量不易控制,而多層銅網微結構施以擴散接合均熱板上下之銅片及銅網,其孔徑一致性及可控制性較優于粉末燒結的微結構,質量較穩定。較高的一致性可使液體流動較順暢,進而可大幅縮減微結構的厚度,降低均熱板的厚度,業界已有在150w的熱傳量時3.00mm的板厚。銅粉燒結微結構之均熱板,因質量不易控制,整體散熱模塊通常需輔以熱導管之設計。
  
  以擴散接合的多層銅網其接合強度與母材具相同強度,因氣密性高就不需任何的焊料,在接合的過程中也不會產生微結構阻塞,制成之均熱板的質量較佳且耐用時間較長。以擴散接合工法制作后如果孔洞漏氣,也可經過重工修復。多層銅網除以擴散使之接合外,在近熱源處接合較小孔徑銅網之層次狀設計,更可使蒸發區純水補充迅速,整體均熱板之循環更順暢。更有進者將微結構模塊化做區域化的設計,可運用于多熱源的散熱設計。因此,以擴散接合及區域化層次狀設計之均熱板,大幅增加了單位面積的熱通量,傳熱效果也就優于燒結微結構的均熱板。
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