相变均热板应用与仿真分析

摘要

本文介绍相变均热板 Vapor chamber 工作原理和优点，目前相变均热板在消费电子产品，如手机，游戏电子设备等消费类电子产品。基于对某型号相变均热板的特性研究，用“固体导热模型”等效替代相变准热板内液体蒸发、冷凝的复杂相变过程，利用西门子 Flotherm XT 对某游戏机的相变均热板以及铜均热的散热系统进行仿真分析，结果表明，相变均热板散热效果更佳。

相变均热板工作原理与应用

目前相变均热板在电子产品中应用非常广泛，其工作原理与制造工艺与热管一致，如图1 所示。均热板由三部分构成：

1. 铜合金外壳（Outer Copper Shell）

2.固体多空导流层（Inner Wick）

3.真空空腔（相变材料如水等材料）。

热源如IC芯片可以直接通过界面材料（TIM）平面紧贴在均热板上。芯片工作，热量通过芯片外壳导入TIM材料，进入铜外壳，水在热源导流层中被蒸发，进入真空空腔，在均热板冷却面冷凝，释放潜热，进入铜外壳再导入到散热器中；冷凝的水通过倒流层，并在液体毛细表面力推动下，进入热管处继续蒸发；这是一个通过水蒸发、冷凝高效传递热量过程；真空腔里真空度由应用和相变材料决定，如水，空腔内压力低于一个大气压，水的蒸发温度通常低于100℃。

图1 相变均热板原理与应用

相变均热板Vapor Chamber 与热管 Heatpipe 对比

热管在上世纪60年代为解决卫星热量运输而被发明使用，并随着电子技术进步和电子产品普及；电子产品功能变强，体积变小，热密度达到100w/cm^2以上；热管应该逐步普及，如5G通讯设备中的热管散热系统，通讯设备中的风冷热管散热系统；智能手机普及，让相变均热板有了实际应用领域，如小米的相变散热手机，其实质就是SOC芯片用相变均热板进行热在平面上的扩散。相比热管，相变均热板优点突出：

1.均热板厚度薄达2.5mm，满足电子产品小型化要求。

2.均热板可以平面安装，芯片可与均热板直接平面接触。

3.均热板薄，重力不会影响其热扩散性能。

图2 相变均热板与热管比较

相变均热板实际应用与仿真分析

如图3所示，某公司游戏机模型，游戏主要SOC芯片发热量达到100w, 为确保产品可靠性采用风扇强迫散热方式。

图3游戏机结构及基于Flotherm XT 仿真结果

基于对此款相变均热板特性研究，空腔中发生的蒸发、冷凝的复杂传热效应可等效为固体导热模型，等效为一个固体导热而忽视复杂的相变过程：

1.外壳铜合金导热系数；

2.导流层导热系数等效为40w/(m.K);

3.中间空腔等效为固体高热，等效导热系数30000w/(m.K)

Simcenter Flotherm 是西门子收购Mentor MAD的产品，一款在全球占据领导地位的电子产品热分析仿真商业软件，Flotherm XT 是基于 Flotherm技术和FloEFD网格与求解器而特别开发的一款专业电子产品热分析仿真软件，在国内外有广泛应用，如诺基亚就用Flotherm 和Flotherm XT 对其产品进行热分析仿真。

此款游戏机热系统结构：风扇，外壳通风孔，相变均热板，焊接铝合金翅片 如图4所示。

在Flotherm XT中仿真如下两种散热方案：

1.风扇，均热板，铝合金翅片

2.风扇，铜底板，铝合金翅片

图4 游戏机散热器截面图

两种散热方案唯一差别就是利用相同尺寸的铜合金代替相变均热板。相同位置截面温度仿真结果比对，如图5，图6所示。

图5 铜底板热分析截面温度分布

图6 均热板板热分析截面温度分布

仿真分析对比表明，均热板能使SOC Tj温度降低5℃左右，而均热板温差只有3℃左右，因此相变均热板壁铜合金热扩散效果更好。

总结

电子产品迫切需要稳定可靠的散热技术，通过对相变均热板的研究与仿真分析，相变均热板在平面上有优于铜的均热性能，可改进电子产品的散热效果，提高电子产品热可靠性。