均热板散热效能研究
曹莹,孙定伟
【摘 要】均热板是近年来新兴的一种高效散热技术。文中针对均热板散热器和铜铲齿散热器在同等工作条件下进行了实验测试。测试结果表明，对于高热流密度的器件，均热板散热器散热效果优于铜铲齿散热器，且质量更轻。 【期刊名称】机械工程师 【年(卷),期】2018(000)012 【总页数】3
【关键词】均热板；铜铲齿散热器；散热；热流密度
0 引言
随着电子产品集成度的日益增加，产品热流密度越来越高。尤其是LED、大功率发射、激光等领域的产品，器件热流密度已达到了10～30 W/cm2，有些甚至超过了100 W/cm2以上。传统的铝质、铜质散热器在散热量、体积、质量等诸多方面已很难满足要求[1]。
均热板作为一种新型的导热元件，其内部是具有微型结构的真空腔体。如图1所示，热源产生的热量传导至蒸发区时，内腔液体吸收热能后迅速膨胀气化。当气化工质充满整个腔体后，工质接触到冷端便会释放产生热量，凝结成液相经由内部毛细结构再回到热源处[2]。此过程将在腔体内往复进行，从而释放热量，达到散热效果。
1 试验原型
图1为某大功率模块，模块内含8个大功率功放管，根据测算单个功放管发热耗散功率为最大160 W，整模块热耗最大超过1280 W。器件的最大安全运行
温度（器件结温Tjmax）为200℃。考虑到关键器件的降额设计，功放管的最大结温按85%进行降额，即结温不得超过170℃。
功放管的外形及安装尺寸如图2所示。单个功放管管壳接触传热面积S=3.785×2.515=9.52 cm2；热流密度为Q=160/9.52=16.8 W/cm2。 器件选用散热器作为导热元件，并采用强迫风冷。 根据散热器热阻计算公式:
式中：Ts为散热器温度；Pd为功放管热耗；根据功放管资料，可知Rjs= 0.13℃/W；考虑到器件安装、散热器加工工艺，接触热阻一般为Rcs=0.1℃/W。
假设散热器温度Ts为80℃时，芯片可以正常工作： 反向推算当结温为170℃时的散热器温度应该为 功放管的外壳温度为
因此功放管的管壳温度需小于149.2℃，该产品才能满足热设计要求。
2 试验装置
针对均热板散热器和铜铲齿散热器在相同尺寸电子模块内进行散热性能对比实验测试，对比两者的散热效果。试验中的均热板采用铜质均热板与铝质散热器钎焊而成，如图3（a）所示。铜铲齿散热器散热性能优于传统的铜质散热器。其工作原理是通过铲齿工艺减小翅片的厚度，在同等体积的条件下相当于增加了散热器的散热面积，从而达到较好的散热效果，如图3（b）所示。
根据上述产品的热分布原型，设计了试验装置。装置与产品结构、散热方式、风道基本保持一致。两块散热器翅片对立安装，整个试验装置共布有8个热源。一块散热器上布置有4个模拟热源，热耗为640 W，热源使用导热膏与散热器
粘贴。同时热源分布在工装两侧，采用与功放管同尺寸的发热棒进行模拟，安装面与重力方向垂直，如图4所示。
为保证测试效果，防止过热，在试验装置工装一侧安装有风机，可在散热器翅片部分形成前进后出的风道。风机选用MGT1248UB，转速为4000 r/min，最大风量为192 CFM，最大风压为142.1 Pa。试验过程中，将试验装置内的散热器分别更换为均热板散热器和铜铲齿散热器进行测试。两种散热器外形尺寸、安装方式保持一致。均热板试验装置见图4，铜铲齿试验装置见图5。 试验装置连接热控测试设备，探温线放置于模拟热源发热块的壳中间，探测温度为管壳壳温。通过热控测试设备设置发热棒的发热功率和查看管壳温度，如图6所示。其中高温测试需将试验工装放入恒温箱中进行。
3 试验结果
采用上述的试验装置，分别在25℃和55℃的条件下，对均热板散热器和铜铲齿散热器进行了测试。测试均为稳态测试试验，测试时间至少不低于40 min。当温度曲线温升不再变化时，稳态收敛，停止测试。
表1为25℃的温度测试结果，样品1和样品2为铜铲齿散热器的测试数据，其平均温升为52.47℃和52.18℃。样品3和样品4为均热板散热器的测试数据，其平均温升为43.56℃和44.3℃。因此在常温25℃的条件下，均热板散热器的温升比铜铲齿散热器低8℃。
表2为55℃的温度测试结果，样品1和样品2为铜铲齿散热器的测试数据，其平均温升为59.19℃和59.02℃。样品3和样品4为均热板散热器的测试数据，其平均温升为51.75℃和49.3℃。因此在常温55℃的条件下，均热板散热器的温升也比铜铲齿散热器低8℃。
均热板散热效能研究
