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。