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真空均温板

晨怡热管 2008/4/19 21:47:13

■目前电子散热的困境:

电子产品迈向次微米技术的过程中,晶片的空间被压缩得更小更窄,相对的单位体积散发出来的热量也以等比级数提高。以 Intel PC CPU 为例,热能在10年间提高5倍 (请参看下图)。不幸的是,近两年PC的传统散热组件,一直追赶不上CPU 体积变小,功率加大的热能。尤其CPU及VGA功率达75W以上时,散热组件供应厂除了在加大风扇尺寸、加快转速外,也袛能在鳍片设计上小作文章,热流非常现实,会往阻力最小处窜流,常有CPU上方Cooler O.K.,但CPU底部PCB却因热而变形的困境发生。但都不是基本解决之方法,工程师常常要看著直线上升的温度而长叹。

■电子散热的解决方案:
真空均温板(IVC),是目前市场上唯一称得上短、小、轻、薄,且速度快,功率最大的被动式(Passive)散热元件,它以真空腔体内热超导介质的蒸发热快速均匀散佈到低温处冷凝,再由腔体内之毛细结构回流至热源,几近超音波速度做动中重复蒸发/冷凝的动作,把大量的热能在极短的时间内排除,一个50cm2,6mm厚的真空均温板Heat Flux热传密度可达115W/cm2。
真空均温板是最可靠无耗能的被动式微冷却机器(Passive Micro Cooling Machine)不必维修,坚固耐用,价廉物美,且可塑性大,可因客户需求製成不同尺寸、型状提供各界使用,除了桌上型电脑之外,亦可用於笔记型电脑、伺服器、通讯设备、汽车电子组件及OLED光学照明组件的散热用途。
综观真空均温板(IVC)之物理原理,精密製程和工艺要求,把热能管理(Thermal Management)由传统散热组件行业往上提昇了一个世代。事实上,真空均温板(IVC)不仅是一个新產品,以它的广泛应用范围,它将提供21世纪电子元件热能管理產品中一个最关键的平台。真空均温板将在短期内完全取代传统散热组件,在往后的20年成为散热元件的主流。
■中科测试报告:
本组依据技术服务案合约受奥古斯丁科技股份有限公司委托进行平面热板性热测试等相关试验并分析判断试验结果,做成报告,试验分为二部份,第一部份试验以红外线热影像仪观测平板热管在加热运作下的温度分布,检验平板热管的均温效果。第二部份试验则在使用水冷装置进行冷却的条件下,逐步提高加热器发热量对平板热管进行加热试验,以测试平板热管能承受至多大的加热条件下仍维持正常运作。

一. 平板热管热影像观测

■ 1.1 试验设备

■ 红外线热影像仪:
为研判平板热管(均温板)受热後温度的分布情形,使用红外线热影像系统(如图1-1)观测平板热管上表面的温度分布。平板热管置於加热平台上(如图1-2),红外线热影像仪固定在三脚架并向下拍摄(如图),而考量平板热管表面放射系数的一致性,在上表面喷上黑色漆,热影像仪可获得更为精确的温度分布。

■ 1.2 试验条件︰

由电源供应器提供加热平台发热电源,考量能量散逸,推算由加热平台铜块上传至平板热管的热量约14 W,不使用散热鳍片及冷却风扇,待平板热管自然对流达稳态平衡状态後,撷取其上表面之热影像并求得温度分布。

■ 1.3 试验结果:

图1-5 A~C为平板热管上表面的温度分布,温度范围设定在110℃~120℃,撷取的时间间隔约为2~3分钟,图中热管中央区域的温度约为118.7℃,四个角落的温度略低约为117.2℃。图A~C为温度范围设定在115.9℃~119.7℃所获得的温度分布。

图1-5 平板热管温度分布(型态二) :

二. 平板热管最大承载加热试验

■ 2.1 试验设备:

如上图,一连接电源供应器、规格160W - 110V的平板加热器置於铜块下方,经由铜块将热传导至平板热管,平板热管上方以一水冷装置吸收热量,水温控制在27℃。加热器及铜块外以陶瓷板材料制成一方型盒状作为隔热包覆,铜块、平板热管及水冷装置的接触面皆先涂布导热膏後再行接合。本试验共量测五个温度点,编号及位置说明如下:

T1:位於铜块上方的凸块表面
◆ T2:位於平板热管下表面距长边缘约5mm处
◆ T3:位於平板热管上表面,相对於T2位置
◆ T5:位於加热器下表面(量测加热器温度)
◆ T12:量测环境温度

■ 2.2 试验方式:

控制电源供应器首先提供加热器发热约60W并启动水冷装置,水温控制在27℃,使用温度撷取器记录温度历时,待达成稳态、温度平衡後再提升发热量至70W(增加10W)续进行试验、观测温度变化。依序进行加热80W、90W以上条件,直至观测到温度有异常变化时停止试验,而限於加热器规格160W,基於安全因素考量,本次试验加热条件最高只进行至150W为止。

2.2.1 60W加热条件试验
 
2.2.2 90W加热条件试验
 
2.2.3 120W加热条件试验
 
2.2.4 150W加热条件试验
 
2.2.5 60W~150W各加热条件至稳态平衡後温度数值 ( 温度单位:℃ )
加热器发热量(W)
T1
T2
T3
T5
T12
59.5
60.0
41.0
39.9
216.6
23.3
70.4
64.8
43.3
42.0
248.4
23.4
80.3
68.3
45.5
43.9
277.1
23.4
90.2
79.3
47.5
45.8
306.0
23.4
100.5
79.5
49.9
47.7
336.1
23.7
110.2
85.0
52.0
49.5
365.1
23.8
119.9
92.2
53.9
51.3
397.8
23.4
130.0
97.5
56.0
53.5
425.2
25.5
139.1
102.9
57.9
55.3
448.8
25.9
150.4
108.2
60.2
57.4
480.2
25.3
注:加热器发热量即电源供应器提供之加热电能
 

2.2.6 加热平台能量散逸估算试验

由於加热器的发热量并非完全由铜块上传至平板热管,仍有一部份的热能由其它传热路径散逸至外界环境。为掌握在各加热条件下由铜块上传至平板热管的热能,需进行能量散逸估算试验。试验的设置如下图:

将水冷装置及平板热管移除,再盖上陶瓷板材料包覆,撷取并观测T5及T12两个温度。先设定低瓦数加热再逐步增大加热器发热量(即电源供应器提供之加热电能),在固定的加热瓦数下达到稳态、温度平衡时即表单位时间加热器的发热量等於此刻散逸至外界环境的热能,再依序进行各种加热条件并观测记录稳态温度,可获得T5及环境温度T12的差值与散逸至外界环境热能的对应关系,如下表:
加热器发热量(W)
T5
T12
T5-T12
9.8
196.0
22.5
173.5
15.1
253.7
22.5
231.2
20.1
309.5
21.5
288.0
24.5
362.5
21.0
341.5
29.9
425.1
23.5
401.6
34.0
473.5
22.4
451.1
35.5
491.2
24.0
467.2
 

2.2.7 60W~150W各加热条件下之等效热阻数值比较

从铜块凸起上表面至冷水装置水温的温差值(T1-27℃),若除上平板热管实际吸收热能(即加热器发热量-散逸能量)以定义一等效热阻,则可概略比较各加热条件下此等效热阻数值变化,可观察出平板热管在高瓦数加热时是否已失效。

 
2.2.8 60W~150W各加热条件下之(T1-T3)及(T2-T3)数值比较
各加热条件下等效热阻值比较
各加热条件下之(T1-T3)及(T2-T3)数值比较

三. 试验结果讨论

3.1 从等效热阻数值的变化来观察,从加热60W至150W条件下皆维持在0.65 ~0.71之间,并无明显变异,另外从(T2-T3)及(T1-T3)的温差曲线来观察亦无斜率明显较大的变化,应可确认在加热器发热150W的条件下,平板热管仍正常运作。

3.2 加热器发热150W条件下的能量散逸估算 以下列两组数据(取自表2-2)可以推估加热器发热150W条件下所散逸的能量:

加热器发热量(W)
T5
T12
T5-T12
34.0
473.5 ℃
22.4 ℃
451.1 ℃
35.5
491.2 ℃
24.0 ℃
467.2 ℃

依据加热器发热150W条件下的稳态温度,计算(T5-T12)=(480.2-25.3)=454.9℃,再内差上列两组数据即可求得加热器发热150W条件下的能量散逸,约34.4W。

3.3 以加热器150W的发热量(实际为150.4W,如表3-1)再减去散逸至外界环境的能量34.4W,则本试验结果,可确认此平板热管至少可承载(150.4-34.4)=116.0W以上的加热负荷,仍保持正常运作。

3.4 60W~150W各加热条件至稳态平衡後平板热管实际热阻(C/W),由60W~150W各加热条件至稳态平衡後温度数值及表2-2 加热平台能量散逸估算表(温度单位:℃)综合计算可得60W~150W,各加热条件至稳态平衡後平板热管实际热阻(C/W)。

平板热管实际热阻(C/W)
加热器发热量
能量散逸(W)
平板热管实际加热负荷(W)
T2
T3
dT2-3
平板热管实际热阻(C/W)
59.5-11.62
47.88
41.0
39.9
1.1
0.023
70.4-14.53
55.87
43.3
42.0
1.3
0.023
80.3-17.08
63.22
45.5
43.9
1.6
0.025
90.2-19.62
70.58
47.5
45.8
1.7
0.024
100.5-22.10
78.4
49.9
47.7
2.2
0.028
110.2-24.50
85.7
52.0
49.5
2.5
0.029
119.9-26.91
92.99
53.9
51.3
2.6
0.028
130.0-28.77
101.23
56.0
53.5
2.5
0.025
139.1-31.66
107.44
57.9
55.3
2.6
0.024
150.434.35
116.05
60.2
57.4
2.8
0.024
注:加热器发热量即电源供应器提供之加热电能

散热技术测试比较:

均温板取代CPU DIE之HEAT SPREAD PLATE的热阻值比较
DIE 面积
0.9CM *1.1 CM
HEAT SPREAD PLATE
3.1CM*3.1CM*0.2CM
TJ
CPU 内部接脚温度上限
TC
CPU DIE 表面中心点温度上限
Θhs
HEAT SPREAD PLATE之热阻值
Θhs
HEAT SINK 之热阻值
Θvc
均溫板之热阻值
 
CPU 功率100W以上时 HEAT SPREAD PLATE及散热鳍片的温差及热阻值
 
 
 
 
 
CPU 功率
100W
120W
135W
150W
TJ
<100 ℃
<100 ℃
<100 ℃
<100 ℃
TC
<70 ℃
<64 ℃
<59.5 ℃
<55 ℃
Θj-c
0.3 ℃/W
0.3 ℃/W
0.3 ℃/W
0.3 ℃/W
ΔTj-c
30 ℃
36 ℃
40.5 ℃
45 ℃
ΔTc-a
30 ℃
24 ℃
19.5 ℃
15 ℃
Θc-a
0.3 ℃/W
0.2 ℃/W
0.144 ℃/W
0.1 ℃/W
Ta
40 ℃
40 ℃
40 ℃
40 ℃
 
以均温板取代 HEAT SPREAD PLATE
 
 
 
 
 
CPU 功率
100W
120W
135W
150W
TJ
<100 ℃
<100 ℃
<100 ℃
<100 ℃
TC
<90 ℃
<88 ℃
<86.5 ℃
<85 ℃
Θj-c
0.1 ℃/W
0.1 ℃/W
0.1 ℃/W
0.1 ℃/W
ΔTj-c
10 ℃
12 ℃
13.5 ℃
15 ℃
ΔTc-a
50 ℃
48 ℃
46.5 ℃
45 ℃
Θc-a
0.5 ℃/W
0.4 ℃/W
0.34 ℃/W
0.3 ℃/W
Ta
40 ℃
40 ℃
40 ℃
40 ℃
 

CPU功率在100W以上时,现有之传热组合方式散热鳍片之热阻值很难达到热傅要求,以均温板取代HEAT SPREAD PLATE 散热鳍片的热阻值容易达到散热要求。

责任编辑: banye 参与评论