5G通信散熱的VC及絕緣導熱透波氮化硼材料

摘要：利用介質潛熱，以熱管、VC（Vapor Chamber）為代表的相變傳熱技術具有顯著高于導熱、對流的換熱系數和散熱能力，是解決日益增長的產品散熱需求的關鍵技術。在芯片功耗與熱流密度持續攀升的前景下，VC等相變傳熱技術的發展和應用切實決定著通信產品散熱可靠性與性能升級空間，具有至關重要的意義。

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，是利用介質在受熱區域蒸發、在遇冷區域凝結，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，因此傳熱效率非常高，等效導熱系數可以達到2000 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。

圖1 相變傳熱原理

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、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。

圖2 相變傳熱散熱器形態（圖源網絡）

2 VC均熱板技術的發展

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。

圖3 VC均熱板結構原理

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。在芯片熱流密度超過100W/cm2的發展趨勢下，VC無疑是支撐通信設備性能升級的關鍵技術。

同普通熱管管殼一樣，VC的殼體通常也是由金屬材料制成。目前地面應用絕大部分VC都采用銅材薄板沖壓成型而制成，因銅材的導熱性能好，并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。在消費電子、航空航天領域，為了滿足更進一步的高強度、超薄化或輕量化需求，不銹鋼（高強度、耐腐蝕，成本低）、鈦（高強度、低密度、耐腐蝕）等材料作為VC殼體也得到了一定的發展。進一步地，為滿足降本降重的市場需求，行業內也逐漸開展了對鋁基相變傳熱裝置的探索。

表1 鈦、銅、鋁性能對比

工質的選擇基于工作溫區、材料相容性、熱物性等因素。與銅材匹配性最好的工質為水，熱物性優良，安全無毒，易得易處理。與鋁材相匹配的工質主要為冷媒，這類工質作為冷卻介質已有較成熟的民用基礎。甲醇、乙醇、丙酮等工質也常見于各種VC性能研究，但由于毒性、易燃易爆性等因素實際應用很少。

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。由于扁平狀的外形特點，VC主要采用絲網型、溝槽型、燒結型及復合型四類毛細芯。

事實上，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VC的熱擴散性能與熱流密度承載能力，很多研究致力于優化毛細芯在較大尺度上的幾何結構。

早期應用的VC是最經典的純金屬支撐柱式，支撐柱僅發揮結構加強的作用。之后演變出在支撐柱外套一層粉末燒結毛細環，或直接將金屬柱換成毛細粉柱，采用純毛細柱排列或金屬柱與毛細柱混合排列。這樣在冷面凝結的工質可以通過毛細環或毛細柱向熱面蒸發區回流，回流路徑大大縮短，補液速率增大，VC傳熱能力因此增強。

更高性能的VC多見對應于熱源位置的蒸發區局部毛細結構體加密，除了增強毛細力和液體回流，這些毛細結構體表面同時擴展了蒸發面積，提高了蒸發速率。從這一角度出發的設計還有加密純金屬結構體外部覆著一層毛細材料，因純金屬尤其純銅的導熱系數要高于毛細結構，內部純金屬將熱量傳導至表層毛細結構效率更高，且純金屬的強度也更好。這類設計型式多種多樣，VC熱流密度承載能力可以達到30~100W/cm2。

目前還有一些更前沿的特種毛細結構處于研究和開發應用階段，例如刻蝕加工的放射狀槽道結構，液體通過蒸發層和一系列橫向收斂通道向熱源區域補充，大幅度提升了VC的熱流密度承載極限?；虿捎梅律皆O計，借鑒植物葉脈結構所獨有的傳熱傳質機制，有效平衡滲透率與毛細力的矛盾問題，獲得更低的熱阻和優良的均溫性。

圖5 不同類型的VC內腔支撐與毛細結構（圖源網絡）

不同于熱管成熟的工藝，VC工藝還在探索中，雖然國內外很多公司已經進行了量產，但仍然存在吸液芯的制造成本高、焊接工藝效率低及良品穩定性差、變形及可靠性等問題。

大多數VC廠商以絲網工藝為主。銅絲網容易編織、成品質量穩定、生產效率高，但毛細作用力較小，在應對高熱流密度、逆重力場景時將面臨較大的性能限制。

3 總結與展望

過去的二十多年，VC在應用上的發展非?？捎^，一些關鍵的技術節點包括：

1）復合毛細芯的應用。通過不同孔徑的毛細材料組合來協調VC毛細力與工質流動阻力之間的矛盾；

2）毛細柱/環的應用。在支撐柱的基礎上改進，增加燒結毛細柱/環作替代或配合，不僅保證VC有足夠的強度，更重要的是大大縮短了冷凝液的回流路徑，提升了VC的傳熱性能；

3）消費電子領域對VC的輕薄化需求使得研究者和各個廠家對不同的材料、制程和工藝投入了大量研究；

4）擴散焊技術的發展使VC的性能和外觀得以進一步提升，也提高了成品率。

高功耗、高熱流密度芯片發展趨勢對VC均溫性能提出更高需求，VC的優化設計必須在提升毛細性能的同時從材料和結構多方面提升熱量傳導和氣液輸送的效率，從而大幅降低VC的熱阻，才能實現在工作熱流密度增大一倍甚至數倍的情況下，從熱源到VC冷面的溫差仍與目前低熱流密度應用條件下的水平相當。

理論層面，盡管有許多研究聚焦于降低熱阻、提升燒干極限和臨界熱流密度、實現更高的熱流密度承載能力，要更準確地預測和評估VC內部的熱輸運過程和限制，還必須找到合適的方法模擬不同毛細結構中的氣液界面，這方面仍然有待更多的基礎理論工作深入剖析VC的物理機理。

應用層面，對VC傳熱能力與熱阻的表征需要更加精細化，并建立更加完善的實驗數據庫總結VC受工作條件的影響規律，以便更準確地把握VC在系統中應用的效果，提升產品設計可靠性。同時，針對相變傳熱各類結構型式的材料、工藝改進優化也有賴于行業共同探索，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力量。