均熱板的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

郝 劍，朱崧，吳勝，薛亞輝，2

（1.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，江西 南昌 330096；2.南方科技大學(xué)力學(xué)航空航天工程系，廣東 深圳 518055）

電子工業(yè)的進(jìn)步，使電子產(chǎn)品朝著小體積、高集成度方向發(fā)展，導(dǎo)致電子元器件的功耗越來(lái)越高，如軍事和航空航天的帶隙放大器耗散預(yù)估超過(guò)1000 W/cm2［1-2］。普通的散熱器已無(wú)法滿足高熱流密度散熱的需求，毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)的兩項(xiàng)散熱器，如熱管、平板熱管和均熱板已被證明是兩項(xiàng)冷卻裝置中最有效的被動(dòng)冷卻裝置，具有導(dǎo)熱能力強(qiáng)、均溫效果好、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［3-5］，均熱板因具有更高的散熱性能，成為國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

本文調(diào)研了現(xiàn)有文獻(xiàn)，總結(jié)了均熱板最新研究進(jìn)展，介紹了均熱板的優(yōu)勢(shì)、原理及結(jié)構(gòu)，以及均熱板建模仿真模擬的現(xiàn)狀，并給出團(tuán)隊(duì)的模擬仿真結(jié)果，分析了均熱板性能評(píng)估方法及影響因素，最后對(duì)均熱板的應(yīng)用前景進(jìn)行了科學(xué)展望。

1 均熱板簡(jiǎn)介

1.1 均熱板優(yōu)勢(shì)

目前，電子器件使用的散熱方式主要包括石墨散熱、石墨烯散熱、導(dǎo)熱凝膠散熱、熱管散熱、均熱板散熱等，如表1 所示。其中，石墨散熱、石墨烯散熱和導(dǎo)熱凝膠散熱屬于以散熱材料散熱，散熱效果有限，主要應(yīng)用于小型電子產(chǎn)品；熱管和均熱板屬于以散熱器件散熱，散熱效率高，主要應(yīng)用在中大型電子設(shè)備中。雖然熱管和均熱板都是利用相變實(shí)現(xiàn)散熱，包括傳導(dǎo)、蒸發(fā)、對(duì)流、冷凝四個(gè)主要步驟，但兩者的熱傳導(dǎo)方式不同，熱管是一維傳熱［6-8］，而均熱板是二維傳熱，其與散熱介質(zhì)的接觸面積更大，散熱更均勻，更能夠適應(yīng)5G 時(shí)代微型化電子設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用的需求［9-10］。相關(guān)研究表明，均熱板散熱器的性能比熱管高20%～30%［11］，可進(jìn)一步提升導(dǎo)熱效率。

表1 各類(lèi)散熱方式對(duì)比Table 1 Comparison of various heat dissipation modes

1.2 均熱板原理及結(jié)構(gòu)

均熱板由密封的管殼、多孔吸液芯和工質(zhì)三部分構(gòu)成。液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)端吸熱蒸發(fā)，然后以氣態(tài)的形式在空腔內(nèi)輸運(yùn)到冷凝端，并放熱冷凝，冷凝的液態(tài)工質(zhì)在毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)多孔吸液芯被重新輸運(yùn)到蒸發(fā)端。如此循環(huán)，均熱板便可在沒(méi)有外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行，從而完成熱量的高效傳導(dǎo)。均熱板按傳熱方向可分為兩種，兩種均熱板分別沿著厚度和長(zhǎng)度方向傳熱，如圖1 所示。前者可以通過(guò)大面積冷凝帶走更多熱量；后者可以傳遞較遠(yuǎn)距離并且保持優(yōu)異的均溫性能［12］。均熱板按照不同厚度主要分為標(biāo)準(zhǔn)均熱板（≥2 mm）、超薄均熱板（＜2 mm）和極端超薄均熱板（≤0.6 mm）。

圖1 均熱板的基本構(gòu)造和原理（a）沿著厚度方向；（b）沿著長(zhǎng)度方向Fig.1 Basic structure and principle of vapor chamber［12］（a）Along the thickness direction；（b）Along the length direction

要實(shí)現(xiàn)均熱板氣液循環(huán)運(yùn)行，毛細(xì)管最大壓力須大于均熱板的總壓力［見(jiàn)式（1）］。

式中，ΔPl是工質(zhì)從冷凝端返回到蒸發(fā)端的壓降，ΔPυ是從蒸發(fā)端到冷凝端的壓降，ΔPg是因重力引起的壓降。最大毛細(xì)壓力ΔPc，max可以通過(guò)式（2）評(píng)估［13-14］。

式中，σ是液體表面張力系數(shù)，θ是液態(tài)工質(zhì)與固體壁面之間的接觸角，Dp是吸液芯的有效孔隙直徑。

ΔPl可表示為式（3）：

式中，K是均熱板的等效傳熱長(zhǎng)度，μ是液體的動(dòng)力黏度系數(shù)，Vs是液體表面速度，Δx是冷凝端和蒸發(fā)端之間的距離。

ΔPg可以通過(guò)式（4）計(jì)算：

式中，ρl是液體密度，g是重力加速度，l是均熱板厚度，Φ為均熱板與水平線的夾角。Φ＞0，表示均熱板蒸發(fā)端低于冷凝端，重力的作用有助于液態(tài)工質(zhì)的回流；Φ＜0，表示均熱板蒸發(fā)端高于冷凝端，重力的作用阻礙了工質(zhì)從冷凝端回流至蒸發(fā)端。

2 均熱板仿真模擬

過(guò)去的二十多年里，諸多學(xué)者對(duì)均熱板的理論進(jìn)行建模仿真分析和數(shù)值仿真模擬研究，研究了工質(zhì)材料、工質(zhì)充液比、吸液芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、均熱板的使用傾角等因素對(duì)傳熱性能的影響［15-16］。

目前，常用的模擬仿真分析軟件為Fluent［17］、Flotherm［18］及Comsol Multiphysics［19］等。通過(guò)軟件建模評(píng)估均熱板傳熱性能，很難精確求解復(fù)雜的吸液性能。因此，為簡(jiǎn)化均熱板內(nèi)部的相變傳輸過(guò)程，一般將均熱板的結(jié)構(gòu)及傳輸過(guò)程近似為二維模型，并將吸液芯結(jié)構(gòu)通過(guò)多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)表征，該方法過(guò)程簡(jiǎn)單，具有普適性，但存在一定的誤差。如Comsol Multiphysics 軟件，通過(guò)使用軟件中的蠕動(dòng)流接口，利用后處理工具可提取均熱板的孔隙率，使用達(dá)西定律便可計(jì)算滲透率，實(shí)現(xiàn)吸液芯吸液性能的評(píng)估。通過(guò)利用Brinkman 方程界面求解多孔吸液芯的工質(zhì)流體流動(dòng)問(wèn)題，利用層流界面求解蒸汽腔內(nèi)的層流問(wèn)題，利用多孔介質(zhì)傳熱界面求解所有形狀、管壁、吸液芯和蒸汽腔的傳熱問(wèn)題，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)均熱板傳熱性能的評(píng)估。

本文通過(guò)模擬仿真設(shè)計(jì)了一款均熱板，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中a=60 mm，b=0.1 mm，c=1.4 mm，d=1.4 mm，e=3 mm。輸入熱源功率5 W，熱沉選擇水冷，傳熱系數(shù)為2600W/（m2·K）。均熱板殼體為銅，上層材料設(shè)置為水蒸氣，下層材料設(shè)置為多孔材料。其中，固體材料為銅，工質(zhì)材料為去離子水，模擬的均熱板溫度分布結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，加熱端和冷卻端的最大溫差約為2.5 ℃，根據(jù)熱阻計(jì)算公式（5），可計(jì)算出熱阻為0.5 ℃/W。

圖2 均熱板結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of vapor chamber

圖3 均熱板的溫度分布Fig.3 Temperature distribution of vapor chamber

式中，R為熱阻，Q為傳熱功率，ΔT為溫差。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬建模的方法相對(duì)復(fù)雜，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，不具有普適性。李維平等［20-21］建立了直流式液冷板對(duì)流換熱與均熱板相變傳熱的三維數(shù)值模型，采用Volume of fluid（VOF）［22］多相流模型和蒸發(fā)冷凝模型，模擬了相變工質(zhì)在均熱板蒸汽腔中輸運(yùn)與傳熱的過(guò)程，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了很好的匹配性。趙豪［23］通過(guò)構(gòu)建復(fù)合型溝槽吸液芯均熱板傳熱數(shù)值分析模型，采用非耦合式的求解方法，分別建立固體壁面區(qū)、吸液芯區(qū)和蒸汽區(qū)的數(shù)值模型，分析和揭示其內(nèi)部工作機(jī)理，以此為基礎(chǔ)建立均熱板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。李聰［24］基于流體相變熱質(zhì)傳遞理論，建立了超薄均熱板的熱阻網(wǎng)絡(luò)理論研究，分析了不同熱負(fù)荷下均熱板蒸汽腔厚度變化對(duì)工質(zhì)在蒸汽腔和吸液芯中的流動(dòng)傳熱特性，以及熱阻網(wǎng)絡(luò)模型中包括導(dǎo)熱熱阻和氣液界面對(duì)相變傳熱熱阻等的影響。研究結(jié)果顯示，當(dāng)蒸汽腔厚度極小時(shí)（0.3 mm）［25］，由于尺寸效應(yīng)會(huì)阻礙蒸汽流動(dòng)，導(dǎo)致總熱阻劇烈升高。因此，極端厚度下超薄均熱板的氣液運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)，需要綜合考慮吸液芯結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化毛細(xì)性能與氣液排布設(shè)計(jì)，優(yōu)化蒸汽腔空間。

綜上所述，雖然軟件仿真模擬和數(shù)值計(jì)算模擬的方法目前已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但建模過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，且做了很多的近似擬合與簡(jiǎn)化。因此，未來(lái)仍需要進(jìn)一步研究以更好地理解均熱板的物理現(xiàn)象，更準(zhǔn)確地控制建模、模擬工藝所帶來(lái)的誤差，進(jìn)而更好地給出均熱板的熱傳遞信息。

3 均熱板工藝

3.1 殼體

殼體材料的選擇取決于以下幾個(gè)因素，兼容性（與工作介質(zhì)和外部環(huán)境）、強(qiáng)度重量比、導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率、工藝及加工性能等。銅、鋁、不銹鋼、鈦合金等金屬是最常見(jiàn)的外殼材料，其中銅材料由于具有良好的延展性、相對(duì)更強(qiáng)的導(dǎo)熱能力等，被廣泛用于工業(yè)電子設(shè)備散熱。銅在0～200 ℃之間的蒸汽腔熱阻較低，故主要用于地面設(shè)備散熱［26-27］；鋁由于重量?jī)?yōu)勢(shì)，在空間應(yīng)用中成為首選［28-29］。近年來(lái)，隨著柔性電子器件的高速發(fā)展，對(duì)柔性均熱板的需求進(jìn)一步加大。目前，聚合物逐漸成為柔性超薄均熱板殼體材料的研究熱點(diǎn)［30］。

3.2 吸液芯

傳統(tǒng)的均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)包括微溝槽型［31］、粉末燒結(jié)型［32-33］、泡沫金屬型［34］、絲網(wǎng)燒結(jié)型［35］和復(fù)合結(jié)構(gòu)型［36］等，圖4 展示了這5 種不同的吸液芯結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)形式由于自身缺陷，限制了均熱板傳熱性能的優(yōu)化和提升。比如燒結(jié)吸液芯的孔隙率偏低，影響液體輸運(yùn)能力；銅網(wǎng)吸液芯的導(dǎo)熱性較差；槽道結(jié)構(gòu)的毛細(xì)抽吸能力有限；泡沫金屬吸液芯孔隙大且分布不均勻，力學(xué)性能較低；復(fù)合結(jié)構(gòu)吸液芯結(jié)合了多種吸液芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)較好的毛細(xì)性能，但工藝復(fù)雜，吸液芯空間有限，限制了吸液芯在極限超薄化均熱板中的應(yīng)用和發(fā)展。為滿足微電子器件高熱流密度在極小空間內(nèi)的散熱需求，Dudukovic 等［37］提出了等桁架結(jié)構(gòu)的吸液芯（圖5），這種吸液芯可通過(guò)3D 打印的方法制備，經(jīng)過(guò)仿真和模擬，證明這種結(jié)構(gòu)吸液芯具有較好的吸液能力。3D 打印技術(shù)過(guò)程簡(jiǎn)單，精度較高（目前已知最高精度可達(dá)2 μm），隨著技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的學(xué)者提出采用該方法制備復(fù)雜及微納尺度的吸液芯。陳威等［38］提出采用3D 打印的方法實(shí)現(xiàn)石墨烯均熱板吸液芯的打印。梁加淼等［39］提出采用3D 打印的方法實(shí)現(xiàn)仿生分級(jí)多孔吸液芯打印。劉成忠等［40-41］通過(guò)3D 打印的方式實(shí)現(xiàn)了金屬吸液芯的微尺度制備?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，目前3D打印的方法具有如下特點(diǎn)：

圖4 不同種類(lèi)吸液芯結(jié)構(gòu)圖（a）微溝槽型；（b）粉末燒結(jié)型；（c）泡沫金屬型；（d）絲網(wǎng)燒結(jié)型；（e）復(fù)合結(jié)構(gòu)型Fig.4 Different wick structures［12］（a）Microgroove wick；（b）Powder wick；（c）Foam metal wick；（d）Mesh wick；（e）Composite wick

圖5 新型吸液芯結(jié)構(gòu)Fig.5 New wick structure ［37］

1）吸液芯采用的材料主要為石墨烯和不銹鋼，主要原因在于銅材料對(duì)3D 打印使用的激光具有一定的反射性，導(dǎo)致打印精度較差；

2）3D 打印吸液芯均是直接打印至均熱板的上板殼或下板殼，這樣可保證吸液芯有良好的散熱效果。

綜上所述，本團(tuán)隊(duì)提出一種適用于以銅為表面材料的吸液芯制備工藝。先通過(guò)3D 打印的方法打印出樹(shù)脂吸液芯結(jié)構(gòu)，然后采用電化學(xué)沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)表面鍍銅。試驗(yàn)證明，這種工藝可制備出性能較好的銅吸液芯。

3.3 工質(zhì)材料

目前吸液芯常用的工質(zhì)材料主要有水、甲醇、乙醇、甲烷烴、正戊烷、HFE7100、丙二醇和再生試劑141b 等［42］（見(jiàn)表2）。由于工質(zhì)材料與吸液材料不相容，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理變化時(shí)，內(nèi)部會(huì)生成不凝性氣體，當(dāng)不凝性氣體開(kāi)始在均熱板中積聚，尤其是在冷凝器部分積聚，均熱板會(huì)逐漸被堵塞，使工質(zhì)熱物性降低，導(dǎo)致殼體材料被腐蝕溶解，進(jìn)而使均熱板性能下降，甚至?xí)?dǎo)致均熱板失效。Shukla 等［43］研究了常用材料的相容性，如表3所示。

表2 吸液芯的工質(zhì)流體和溫度范圍Table 2 Working fluids and temperature ranges of vapor chambers

表3 材料與工質(zhì)流體的相容性Table 3 Materials compatibility relative to working fluid

3.4 均熱板相關(guān)工藝

標(biāo)準(zhǔn)均熱板和大部分超薄均熱板的封裝、注入工質(zhì)、除氣、抽真空、性能測(cè)試等工藝均相對(duì)成熟，其中注入工質(zhì)、除氣、抽真空、性能測(cè)試等過(guò)程均有相應(yīng)的設(shè)備，而封裝工藝目前主要采用的是擴(kuò)散焊［44］、釬焊［45］和激光焊3種方式。但對(duì)于超薄化、柔性化的均熱板，封裝過(guò)程中極易出現(xiàn)塌陷、破裂等問(wèn)題，雖然有研究認(rèn)為可通過(guò)優(yōu)化工藝、材料等方法提高封裝的可靠性，只是這些方法尚處于探索階段，還未形成完整、可靠的全流程工藝。

標(biāo)準(zhǔn)均熱板的殼板與支撐柱制造目前主要采用機(jī)械加工的方式［46］，但隨著均熱板厚度的逐漸縮小，該方法難以滿足加工精度。目前超薄均熱板殼板以及支撐柱制造主要采用化學(xué)刻蝕技術(shù)［47］，該技術(shù)應(yīng)用于尺寸較大的均熱板制造，還需進(jìn)一步研究與探索。

4 均熱板性能

4.1 性能評(píng)價(jià)

4.1.1 吸液性能

吸液芯的吸液能力主要由滲透率K和毛細(xì)壓力ΔPcap決定，兩者關(guān)系如式（6）所示：

式中，μ1為工質(zhì)的動(dòng)力黏度，ε為孔隙率，W為毛細(xì)系數(shù)可以通過(guò)測(cè)量和計(jì)算得到。不同吸液芯結(jié)構(gòu)的滲透率K和孔隙率是不同的，滲透率和孔隙率的測(cè)試可采用Porolux200 毛細(xì)流孔隙儀等成熟的儀器直接測(cè)試，或可自行搭建測(cè)試平臺(tái)，或可通過(guò)直接計(jì)算法，如絲網(wǎng)芯、滲透率K和孔隙率ε可按式（7）計(jì)算。

式中，ε=1 -或ε=1 -，N為網(wǎng)目數(shù)，d為絲網(wǎng)直徑，s為絲網(wǎng)間距。其他類(lèi)型吸液芯，如燒結(jié)粉末芯、槽道覆蓋網(wǎng)芯、環(huán)道芯、平行圓管芯，同樣可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

均熱板能夠傳遞的熱量Q與吸液芯能夠運(yùn)輸?shù)墓べ|(zhì)流體質(zhì)量流量相關(guān)，Q可表示為式（8）：

式中，ρ為工質(zhì)密度，u為工質(zhì)體積流量，H為工質(zhì)相變汽化潛熱。其中u可表示為式（9）：

式中，w為吸液寬度，v為流體上升平均速度，ε為吸液芯孔隙率，δ為吸液芯厚度，其中v可通過(guò)單位時(shí)間t內(nèi)的上升高度h表示為式（10）：

因此，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試法測(cè)試上升高度來(lái)判斷比對(duì)吸液芯的性能，進(jìn)而選擇吸液性能優(yōu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行打樣封裝。目前測(cè)試方法一般可概括為3種，分別為稱重法［48］、光學(xué)測(cè)量法［49］和紅外測(cè)量法［50］。稱重法無(wú)法獲取彎月面的數(shù)據(jù)，因此誤差較大。光學(xué)測(cè)量法不適用于顏色較深的吸液芯結(jié)構(gòu)。目前行業(yè)內(nèi)普遍應(yīng)用的是紅外測(cè)量法，該測(cè)量法可以準(zhǔn)確捕捉流體的上升界面，其測(cè)試原理如圖6所示［51］。

圖6 毛細(xì)上升紅外測(cè)試原理圖Fig.6 Schematic diagram of capillary rise infrared test［51］

4.1.2 傳熱性能

均熱板傳熱性能測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試原理如圖7所示，傳熱性能指標(biāo)［52］可通過(guò)熱阻、均溫性極限功率和等效熱導(dǎo)率來(lái)評(píng)價(jià)，其中熱阻表達(dá)式如式（5）所示。

圖7 傳熱性能測(cè)試原理圖Fig.7 Schematic diagram of heat transfer performance test［12］

均溫性的表達(dá)式見(jiàn)式（11）：

式中，β為均溫性，n為測(cè)試溫度點(diǎn)的數(shù)量，Ta為熱源的平均溫度，Ti為測(cè)試第i個(gè)點(diǎn)的溫度。

等效熱導(dǎo)率的表達(dá)式見(jiàn)式（12）：

式中，keff為等效熱導(dǎo)率，leff為等效長(zhǎng)度，le，lc，la分別為超薄均熱板蒸發(fā)段、冷凝端和絕熱端的長(zhǎng)度，Ac為超薄均熱板的橫截面積，R為熱阻。

極限功率的推導(dǎo)和表達(dá)相對(duì)復(fù)雜，通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象判斷。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，連續(xù)升高加熱功率的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)熱阻突然增大的現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的功率為極限功率，或者通過(guò)增加熱輸入功率時(shí)，超薄均熱板不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)或者各測(cè)試點(diǎn)最大溫差大于10 ℃，則判斷此時(shí)功率為此工作狀態(tài)下的極限功率。

4.1.3 可靠性性能

目前，對(duì)均熱板壽命及可靠性尚無(wú)完善的評(píng)估方法，行業(yè)內(nèi)主要基于熱管經(jīng)驗(yàn)，采用加速應(yīng)力老化實(shí)驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)均熱板的可靠性。Thermacore 公司［53］提出對(duì)200根熱管進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，累計(jì)測(cè)試時(shí)間已達(dá)125000 h（14 a）之久。Hsu 等［54］提出通過(guò)可靠性沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)，模擬所有可能的使用和運(yùn)輸環(huán)境，評(píng)估產(chǎn)品的性能和完整性，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)或制造過(guò)程中的任何潛在問(wèn)題。Soule 等［55］研究了熱管在大功率應(yīng)用中的可靠性。Roger 等［56-57］給出了熱管的壽命評(píng)估方法。綜上所述，結(jié)合熱管的研究成果及行業(yè)內(nèi)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出均熱板可靠性評(píng)估的方法。

首先，根據(jù)均熱板的使用條件，可選擇溫度、振動(dòng)、濕度等加速條件，通過(guò)傳熱性能測(cè)試設(shè)備測(cè)試均熱板的熱阻，直至熱阻值出現(xiàn)拐點(diǎn)，即認(rèn)為該條件為均熱板的極限使用條件，設(shè)此時(shí)的極限溫度為T(mén)［58］。其次，選擇老化實(shí)驗(yàn)條件。為了保證快速實(shí)現(xiàn)對(duì)均熱板壽命及可靠性預(yù)估，最大的應(yīng)力選擇為T(mén)1，另一個(gè)相對(duì)較小的應(yīng)力為T(mén)2。

進(jìn)行應(yīng)力加速老化實(shí)驗(yàn)時(shí)，壽命預(yù)估采用Tower和Kaufman定義的模型，見(jiàn)式（13）。

式中，tt是均熱板的加速壽命，i是測(cè)試到第i 個(gè)小時(shí)，D是均熱板的高溫老化的時(shí)間，Δt是測(cè)試的時(shí)間，Q是熱負(fù)載的功率，km是熱導(dǎo)率，T0是測(cè)試的平均工作溫度，通過(guò)式（13），共獲取n個(gè)均熱板的加速壽命。

加速條件下壽命預(yù)估，可采用Bayes 估計(jì)、威布爾分布、正態(tài)分布等，評(píng)估選擇最優(yōu)模型，進(jìn)而計(jì)算失效概率為F時(shí)，兩個(gè)應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)的加速壽命分別為η1和η2。

激活能因子的計(jì)算主要基于式（14）：

式中，K為壽命的倒數(shù)，A為常數(shù)，R為玻爾茲曼常數(shù)，T為工作溫度，Eact為激活能。兩個(gè)工作溫度則如式（15）：

則可如式（16）計(jì)算激活能：

所述的常溫或使用條件下（T0）的壽命預(yù)估，通過(guò)推導(dǎo)阿倫紐斯方程，可得式（17）：

則可靠度可表示為式（18）：

4.2 性能影響因素

影響均熱板性能的因素主要有使用方向、熱源、熱沉、厚度、吸液芯、充液比等。

1）均熱板使用方向的影響：在實(shí)際應(yīng)用中均熱板可以水平方向使用，也可以垂直方向使用，但使用方向?qū)ζ湫阅芫哂休^大的影響。Ma 等［59］分別在0～50°（間隔10°）傾角范圍內(nèi)對(duì)均熱板熱阻的變化進(jìn)行了研究，隨著傾角的變化，總熱導(dǎo)率變化不大，最大熱阻為0.5 K/W。Tsai 等［60］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱阻隨著輸入熱量的增加而減小，在垂直方向90°測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)最大熱阻0.893 ℃/W。由于重力對(duì)冷凝端和蒸發(fā)端之間工質(zhì)流動(dòng)的顯著影響，均熱板熱阻隨傾角的增加而增加。因此，最好在有利的方位對(duì)均熱板進(jìn)行實(shí)際使用，以利于發(fā)揮其最佳性能。

2）熱源的影響：熱源在均熱板上的布置方式對(duì)均熱板的整體散熱性能影響較大。在不同應(yīng)用場(chǎng)景中，均熱板可能存在多個(gè)不同類(lèi)型的散熱點(diǎn)（均勻和非均勻發(fā)熱）或散熱模塊，因此，很多研究學(xué)者通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，并模擬實(shí)際使用情況，以探究熱源均勻和非均勻分布對(duì)均熱板傳熱性能影響的規(guī)律。Huang 等［61］針對(duì)均熱板在LED（發(fā)光二極管）領(lǐng)域的應(yīng)用情況，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，均熱板在30 W 的輸入功率下，其散熱效果優(yōu)于銅板和鋁板材料，熱阻至少降低34%。Naphon等［62］對(duì)計(jì)算器處理單元的熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，高熱負(fù)載的熱阻高于低運(yùn)行熱負(fù)荷條件下的熱阻。除此之外，有研究表明，蒸發(fā)端的高熱量會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)吸收和沸騰極限，進(jìn)而導(dǎo)致在啟動(dòng)過(guò)程中，低溫度和高熱量輸入時(shí)產(chǎn)生爆炸或沸騰?？梢?jiàn)，熱源和蒸發(fā)端的溫度共同影響均熱板的性能。

3）熱沉的影響：在均熱板應(yīng)用過(guò)程中，可通過(guò)增加熱傳遞面積實(shí)現(xiàn)散熱性能的提升，該方法是將熱沉與外部冷卻系統(tǒng)相連，通過(guò)熱沉將熱量均勻地傳遞到基板上以防止局部熱量過(guò)高，從而達(dá)到提高散熱性能的效果。此方法可通過(guò)改變風(fēng)冷和水冷冷凝器熱沉的寬度、高度、數(shù)量等幾何參數(shù)來(lái)改善均熱板整體性能［63-64］。

4）吸液芯的影響：吸液芯的幾何形狀、結(jié)構(gòu)決定了孔隙率、孔隙大小、滲透率、比表面積、熱導(dǎo)率及表面潤(rùn)濕性［65-67］。優(yōu)化吸液芯結(jié)構(gòu)，改善滲透率、毛細(xì)壓力，提升吸液芯的吸液能力，進(jìn)而可提高均熱板的性能。吸液芯的主要制作方法包括燒結(jié)法、切削加工法、刻蝕法以及微納尺度加工法等。燒結(jié)工藝主要用于制備粉末、泡沫金屬和絲網(wǎng)等多孔結(jié)構(gòu)吸液芯［68］。切削加工常用于微溝槽吸液芯的加工［69］?？涛g法可加工小尺寸結(jié)構(gòu)吸液芯［70］。而微納尺度加工技術(shù)，包括電沉積、3D 打印等技術(shù)，能夠加工精密微小尺度結(jié)構(gòu)吸液芯，可改善吸液芯表面潤(rùn)濕性，強(qiáng)化毛細(xì)性能［71］。

5）均熱板厚度的影響：厚度會(huì)影響蒸汽流阻力和均熱板的熱性能。Huang 等［72］研究了5個(gè)不同的均熱板厚度（0.4，0.6，0.8，1.0 和1.2 mm）對(duì)熱阻的影響，結(jié)果顯示，厚度愈厚，熱阻愈小。相對(duì)薄的均熱板會(huì)導(dǎo)致更高的表面溫度和更高的熱阻，較小的均熱板亦會(huì)導(dǎo)致更高的流動(dòng)阻力，從而導(dǎo)致更高的熱阻。因此，對(duì)極限超薄均熱板的研制提出了更高的要求。

6）工質(zhì)充液比的影響：充液比［73-75］是工質(zhì)流體占系統(tǒng)內(nèi)部總體積的百分比。在0%充液比模式下，不存在工質(zhì)流體，均熱板表現(xiàn)為純導(dǎo)電模式；在100%充液比模式下，均熱板系統(tǒng)表現(xiàn)為單相熱虹吸管。充液比過(guò)小容易出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，充液比過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致腔室內(nèi)部氣相空間減小，使得氣泡脫離受阻、蒸汽流動(dòng)減弱。具體的充液比需通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化研究。

燒干極限和臨界熱通量是定義安全操作均熱板的上限條件［76］。除此因素外，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合、應(yīng)用環(huán)境，選擇合適的工質(zhì)、材料、操作溫度亦能有效提升均熱板的性能。

5 均熱板應(yīng)用前景

均熱板的應(yīng)用可以根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境分為兩大類(lèi)，分別為地面環(huán)境應(yīng)用和航空航天環(huán)境應(yīng)用，前者處于重力環(huán)境，后者處于零重力、微重力或超重力環(huán)境。

地面環(huán)境下的應(yīng)用主要包括以下幾方面，如圖8所示：

圖8 均熱板的應(yīng)用場(chǎng)景（a）5G基站BBU；（b）手機(jī)；（c）LED；（d）新能源汽車(chē)；（e）激光器；（f）光伏Fig.8 Application scenario of vapor chamber［12，77］（a）BBU of 5G base station；（b）Mobile phone；（c）LED；（d）New energy vehicles；（e）Lasers；（f）Photovoltaics

1）5G 基站：均熱板主要用于5G 基站BBU（室內(nèi)基帶處理單元）、AAU（有源天線單元）的單點(diǎn)及殼體散熱。目前對(duì)AAU 散熱需求激增，半固態(tài)壓鑄件+均熱板（面向大尺寸、大功率）散熱方案有望成為主流。BBU 散熱主要分三部分：BBU 正面散熱、背面散熱和BBU內(nèi)部芯片散熱，其中背面和芯片散熱主要為熱管/均熱板，如圖8（a）所示。隨著5G 基站對(duì)均熱板性能要求逐漸提高，需要開(kāi)發(fā)更高散熱性能的均熱板，以適用于宏基站、小基站等高密度的散熱需求。

2）手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品：手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品性能的多樣化、高性能化，導(dǎo)致整機(jī)能耗越來(lái)越高，近年來(lái)國(guó)內(nèi)廠商所發(fā)布的智能手機(jī)和筆記本產(chǎn)品中大部分都采用了均熱板散熱方案，如圖8（b）所示。在5G 智能手機(jī)、平板電腦朝著高功率、輕薄化、高性能方向不斷發(fā)展的背景下，均熱板的超薄型、高品質(zhì)、高端化，將成為未來(lái)主流發(fā)展趨勢(shì)。

3）高功率LED 領(lǐng)域：隨著LED 芯片功耗的增加和大功率LED 燈結(jié)構(gòu)（輕小易安裝）的變化，傳統(tǒng)散熱已難以滿足這類(lèi)燈具的散熱需求。均熱板作為解決LED 光源散熱問(wèn)題的新型方式［圖8（c）］，憑借獨(dú)特的散熱優(yōu)勢(shì)，逐步成為大功率LED 時(shí)代的主力需求和行業(yè)風(fēng)口。目前，在汽車(chē)大燈領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)應(yīng)用，其中包括奔馳、寶馬車(chē)系以及邁斯照明等公司。均熱板在LED 工礦燈、投光燈等領(lǐng)域的應(yīng)用亦有諸多學(xué)者在進(jìn)行研究，但尚未實(shí)現(xiàn)大批量應(yīng)用。隨著均熱板在LED 中低端領(lǐng)域應(yīng)用需求的增加，如何降低均熱板的應(yīng)用成本將成為一個(gè)重要研究方向。

4）新能源汽車(chē)熱管理：新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅猛，作為汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源——?jiǎng)恿﹄姵兀錈峁芾硎顷P(guān)鍵技術(shù)之一，一般通過(guò)在冷卻器和動(dòng)力電池?fù)Q熱界面使用均熱板來(lái)實(shí)現(xiàn)。均熱板均勻高效的熱傳導(dǎo)性能可以有效降低電池?zé)崃浚岣唠姵胤€(wěn)定性和可靠性，如圖8（d）所示。目前尚未實(shí)現(xiàn)廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

5）大功率激光器：大功率激光器的電光轉(zhuǎn)換效率大多在40%～60%，有近一半的能量會(huì)通過(guò)熱的形式傳導(dǎo)出去。與此同時(shí)，激光器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，還會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)輸出功率降低、電光轉(zhuǎn)換效率降低、閾值電流增加等影響激光器正常工作的情況。均熱板可使半導(dǎo)體激光器熱沉上的高熱流密度快速均勻化，在提高散熱效率的同時(shí)保證激光器的光學(xué)性能穩(wěn)定圖8（e）。目前該技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段，從調(diào)研到的資料看，尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用，主要受限于大功率激光器的應(yīng)用場(chǎng)景及工作方式。

6）其他領(lǐng)域：均熱板還可以用于能源領(lǐng)域的熱傳導(dǎo)，如光伏熱電、太陽(yáng)能熱水器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，如圖8（f）所示。均熱板的高效熱傳導(dǎo)性能可以有效降低太陽(yáng)能熱水器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的溫度，提高能源利用率。

均熱板在航空航天環(huán)境的應(yīng)用不同于陸地環(huán)境，因其處于零重力、超重力、微重力、振動(dòng)、沖擊等多種狀態(tài)的惡劣復(fù)雜環(huán)境下，所采用的散熱設(shè)備必須具備輕質(zhì)、高性能、高可靠性等特性。但因其應(yīng)用的特殊性，定制化均熱板較多，能調(diào)研到的資料有限。比如艾科美公司為航空高熱流密度電子設(shè)備設(shè)計(jì)的均熱板，可有效控制傳熱熱阻，該公司為某衛(wèi)星有效載荷高功率微波功放研制的均熱板模塊，實(shí)現(xiàn)減重85%。還有學(xué)者提出，將基于葉脈仿生的散熱均熱板用于航空電子芯片散熱，將輕質(zhì)型均熱板用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)散熱等。

綜上所述，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)均熱板的結(jié)構(gòu)、材料、封裝和工藝過(guò)程等，提高吸液芯吸液能力，進(jìn)而獲取厚度更薄、質(zhì)量更輕、可靠性更高、價(jià)格更低的高性能柔性均熱板，將成為均熱板未來(lái)應(yīng)用的主要方向之一。

6 結(jié)論

電子元器件在過(guò)小的體積內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如何有效散熱成為技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要難點(diǎn)之一。與傳統(tǒng)熱管相比，均熱板作為一種新型熱傳導(dǎo)器件，可直接接觸熱源并向各個(gè)方向均勻傳熱，具有高效、均勻的熱傳導(dǎo)性能，在電子、航空航天、新能源汽車(chē)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文闡述了均熱板的相關(guān)理論、結(jié)構(gòu)、工藝、性能，以及性能影響因素、應(yīng)用前景、發(fā)展趨勢(shì)。從技術(shù)層面分析發(fā)現(xiàn)：諸多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于均熱板的不同形狀、結(jié)構(gòu)、厚度、材料、工質(zhì)流體及工藝的研究，重點(diǎn)集中在優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低熱阻、提高燒干極限，以實(shí)現(xiàn)更高的熱通量，增加臨界熱通量，提高均熱板的傳熱性能。從應(yīng)用層面總結(jié)發(fā)現(xiàn)，均熱板在地面的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在航空航天的應(yīng)用，能調(diào)研到的資料相對(duì)有限。整體而言，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，隨著其性能的提升，均熱板將大范圍應(yīng)用于更多領(lǐng)域。

隨著均熱板市場(chǎng)滲透率不斷提升，行業(yè)發(fā)展前景較好。未來(lái)的研究重點(diǎn)主要集中在極端超薄均熱板的理論研究、高性能吸液芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性封裝工藝等方面。在電子產(chǎn)品朝著高功率、輕薄化、高性能方向不斷發(fā)展的背景下，實(shí)現(xiàn)均熱板超薄型、高品質(zhì)、高端化將是未來(lái)行業(yè)主流發(fā)展趨勢(shì)。