沟槽式均温板性能的实验研究(附件)【字数：16732】
摘 要摘 要随着微电子技术的发展，电子元器件的散热已经成为一大焦点问题。均温板以其高的热导率和良好的均温性，成为解决电子散热问题很有前景的技术之一。均温板内部的液体工质蒸发吸收热源的热量，到达冷凝面液化放出热量，再通过均温板内部毛细芯结构的毛细作用回到蒸发面，由此将电子器件运行时所产生的热量迅速均匀地分散开，降低电子器件周围的温度。目前对于均温板的研究还有待深入，一方面是因为电子器件朝高性能、微小化的趋势发展，对散热的要求更高；另一方面是因为均温板本身在性能方面还有很大的提升空间。本文以沟槽式均温板为研究对象，设计出4块沟槽数、深宽比不同的均温板。借鉴相关企业先进的制造加工方法，完成均温板的制作；设计均温板性能测试实验并搭建实验平台，主要由实验台架系统、电加热热源系统、冷却水路系统、数据采集系统、均温板固定装置等部分组成，利用该系统完成对均温板的性能测试。根据实验所测数据，比较了4块均温板的轴向热阻、扩散热阻以及启动性能，据此分析内部毛细芯结构以及充注量对均温板性能的影响。有关均温板的很多问题还值得探讨研究，本课题开展了实验对沟槽式均温板的性能进行研究，根据所得结论对后续均温板的设计工作提出建议。关键词均温板；热阻；性能测试
Keywords: Vapor chamber, Thermal resistance, Performance testing 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 均温板的工作原理 2
1.3 均温板的研究进展 4
1.3.1 实验研究进展 4
1.3.2 数值模拟进展 6
1.4 本文主要研究内容 6
第二章 均温板制作与实验系统建立 8
2.1 均温板的设计 8
2.1.1 上下板设计 8
2.1.2 工质及充液率的确定 10
2.2 均温板的制作 11
2.2.1 泡沫铜的裁剪 11
2.2.2 零部件的清洗 11
2.2.3 泡沫铜的烧结 12
2.2.4 气密性检查 12
2.2.5 填充工质与抽真空 13
2.2.6 焊接封口 13
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.3 实验系统设计 14
2.4 实验数据的处理 17
2.4.1 数据处理 17
2.4.2 误差分析 19
2.5 本章小结 20
第三章 实验结果分析 21
3.1 均温板的轴向热阻分析 21
3.1.1 充注量为5ml时的轴向热阻 21
3.1.2 充注量为3ml 时的轴向热阻 24
3.2 均温板的扩散热阻分析 25
3.3 均温板的启动性能分析 26
3.4 本章小结 26
第四章 结论展望 28
4.1 全文总结 28
4.2 研究展望 28
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 研究背景
近年来集成技术和微电子技术发展迅速，电子元器件的总功率密度也在不断增长，而电子元器件和电子设备的特征尺寸却朝着微型化方向发展，工作时所产生的热量迅速累积，致使集成器件周围的热流密度也在增加。如果不采取有效的措施进行散热，电子器件和设备在高温环境下（正常为5℃至70℃）持续工作的话将会发生异常，甚至影响其性能及寿命，可见高效的热控制方案极为重要。因此，电子元器件的散热问题已经成为当前电子元器件和电子设备制造领域的一大焦点。
电子元件的散热一般有三种途径：导热、热对流以及辐射换热。较常用的热管理方法包括：进行线路板设计时，加大散热铜箔厚度等；增加导热孔的数量；使用导热胶、导热脂等导热介质材料；采用金属散热，比如散热板以及局部嵌铜块；采用热管散热、高效散热器等。其中，热管作为众多热控制器件中最有效的散热器件之一，与其它散热器相比，它在单位面积上的换热量大，运行时不需要动力辅助设备。其工作原理就是利用内部工作介质的相变来传递热量，这种类似空调的蒸发冷凝过程在真空腔内快速循环，可达到相当高的散热效率。在同样体积和同等冷却工况下显现出其独特的优势与不可替代性，因而逐渐受到人们的关注和研究[1]。
传统热管的形状为圆形，一般与热源或散热设备的接触面积小，如将热管压平以增加其表面积，就成为扁平热管。目前在笔记本电脑和国防军事领域，一般都使用这种薄而长的扁平热管将待冷却器件的热量导出，然后由翅片散热器和风扇将热量直接排到环境中去。此时散热座上热源点与远离热源点之间仍存在10℃以上的温差，可见其散热效果仍有待提高。扁平热管的主要缺陷是其散热是一维的，热管的压扁虽然使接触面积增大，但也引发热管最大传热量严重减小的问题。平板热管也属于热管的一种，与传统热管相比，平板热管具有更加突出的优点：一是能够有效解决散热问题，减小热源点与远离热源点之间的温差；二是平板热管的热阻降低，从而达到更高的热导率，保证热量能快速传递；三是用热管基板取代金属基板可以极大地强化基板的热扩散能力，热板的等温特性也益于减小热阻，为与电子元器件实现一体化封装提供了条件。为此，平板热管正成为国内外相关人员研究的一个热点领域。本文的主要研究对象是径向平板热管，即均温板。
1.2 均温板的工作原理
平板热管是一种利用特殊设计的腔体结构来实现热源与热沉之间进行热量传递的热管[2]。平板热管一般主要由外部金属壳体和内部毛细吸液芯结构两部分组成。如图11所示，其呈现出一种内部中空的板式腔体结构。平板热管的外壳主要是采用一些导热性能比较好的金属材料制作而成，如铜和铝等。针对某些对散热器件材质有特殊要求的设备，可使用硅或有机玻璃等绝缘材料。平板热管比较重要的一个结构是腔体内表面的毛细吸液芯，既可通过挖出微小槽道来作为毛细结构，也可用金属粉体烧结而成。其工作过程为：热管底部的热源与热管内部接近热源的液体工质依靠导热传递热量，该液体工质受热后蒸发并迅速扩散，到达冷凝端由于温差作用再将热量排出，液体工质液化，接着在毛细结构提供的毛细力作用下又流回热源附近，平板热管内该过程一直循环，来实现对热源的散热。
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图11 平板热管散热过程
平板热管可分为径向平板热管和轴向平板热管两种[3]，这主要取决于工质在热管内的流动方向和传热机理。径向平板热管如图12所示，热量传递方向是垂直于平板热管表面的。热管底部中心区域有一热源，腔内下表面上的液体工质在低真空环境下蒸发吸收热量，热的工质将向上运动，到达冷凝面后液化，携带的热量继续由上表面带走，液体工质则在毛细芯结构的作用下回到底部的蒸发面，由此构成一个循环。这种平板热管在热传递方向上的热阻更小，因而具有更大的热传导率，同时冷却面积也比一般的热管有所增加。图11所示的热管也是一种径向平板热管，工业上将这种径向平板热管称为均温板。与径向平板热管相比，轴向平板热管与传统的热管更接近，不过其工作原理跟径向平板热管类似。该热管在水平方向上从左至右依次为蒸发段、绝热段和冷凝段，如图13所示，通过腔体内工作流体的相变及蒸汽的流动，将热量从蒸发段送到冷凝段，以此来实现冷却。
Keywords: Vapor chamber, Thermal resistance, Performance testing 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 均温板的工作原理 2
1.3 均温板的研究进展 4
1.3.1 实验研究进展 4
1.3.2 数值模拟进展 6
1.4 本文主要研究内容 6
第二章 均温板制作与实验系统建立 8
2.1 均温板的设计 8
2.1.1 上下板设计 8
2.1.2 工质及充液率的确定 10
2.2 均温板的制作 11
2.2.1 泡沫铜的裁剪 11
2.2.2 零部件的清洗 11
2.2.3 泡沫铜的烧结 12
2.2.4 气密性检查 12
2.2.5 填充工质与抽真空 13
2.2.6 焊接封口 13
2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.3 实验系统设计 14
2.4 实验数据的处理 17
2.4.1 数据处理 17
2.4.2 误差分析 19
2.5 本章小结 20
第三章 实验结果分析 21
3.1 均温板的轴向热阻分析 21
3.1.1 充注量为5ml时的轴向热阻 21
3.1.2 充注量为3ml 时的轴向热阻 24
3.2 均温板的扩散热阻分析 25
3.3 均温板的启动性能分析 26
3.4 本章小结 26
第四章 结论展望 28
4.1 全文总结 28
4.2 研究展望 28
致谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 研究背景
近年来集成技术和微电子技术发展迅速，电子元器件的总功率密度也在不断增长，而电子元器件和电子设备的特征尺寸却朝着微型化方向发展，工作时所产生的热量迅速累积，致使集成器件周围的热流密度也在增加。如果不采取有效的措施进行散热，电子器件和设备在高温环境下（正常为5℃至70℃）持续工作的话将会发生异常，甚至影响其性能及寿命，可见高效的热控制方案极为重要。因此，电子元器件的散热问题已经成为当前电子元器件和电子设备制造领域的一大焦点。
电子元件的散热一般有三种途径：导热、热对流以及辐射换热。较常用的热管理方法包括：进行线路板设计时，加大散热铜箔厚度等；增加导热孔的数量；使用导热胶、导热脂等导热介质材料；采用金属散热，比如散热板以及局部嵌铜块；采用热管散热、高效散热器等。其中，热管作为众多热控制器件中最有效的散热器件之一，与其它散热器相比，它在单位面积上的换热量大，运行时不需要动力辅助设备。其工作原理就是利用内部工作介质的相变来传递热量，这种类似空调的蒸发冷凝过程在真空腔内快速循环，可达到相当高的散热效率。在同样体积和同等冷却工况下显现出其独特的优势与不可替代性，因而逐渐受到人们的关注和研究[1]。
传统热管的形状为圆形，一般与热源或散热设备的接触面积小，如将热管压平以增加其表面积，就成为扁平热管。目前在笔记本电脑和国防军事领域，一般都使用这种薄而长的扁平热管将待冷却器件的热量导出，然后由翅片散热器和风扇将热量直接排到环境中去。此时散热座上热源点与远离热源点之间仍存在10℃以上的温差，可见其散热效果仍有待提高。扁平热管的主要缺陷是其散热是一维的，热管的压扁虽然使接触面积增大，但也引发热管最大传热量严重减小的问题。平板热管也属于热管的一种，与传统热管相比，平板热管具有更加突出的优点：一是能够有效解决散热问题，减小热源点与远离热源点之间的温差；二是平板热管的热阻降低，从而达到更高的热导率，保证热量能快速传递；三是用热管基板取代金属基板可以极大地强化基板的热扩散能力，热板的等温特性也益于减小热阻，为与电子元器件实现一体化封装提供了条件。为此，平板热管正成为国内外相关人员研究的一个热点领域。本文的主要研究对象是径向平板热管，即均温板。
1.2 均温板的工作原理
平板热管是一种利用特殊设计的腔体结构来实现热源与热沉之间进行热量传递的热管[2]。平板热管一般主要由外部金属壳体和内部毛细吸液芯结构两部分组成。如图11所示，其呈现出一种内部中空的板式腔体结构。平板热管的外壳主要是采用一些导热性能比较好的金属材料制作而成，如铜和铝等。针对某些对散热器件材质有特殊要求的设备，可使用硅或有机玻璃等绝缘材料。平板热管比较重要的一个结构是腔体内表面的毛细吸液芯，既可通过挖出微小槽道来作为毛细结构，也可用金属粉体烧结而成。其工作过程为：热管底部的热源与热管内部接近热源的液体工质依靠导热传递热量，该液体工质受热后蒸发并迅速扩散，到达冷凝端由于温差作用再将热量排出，液体工质液化，接着在毛细结构提供的毛细力作用下又流回热源附近，平板热管内该过程一直循环，来实现对热源的散热。
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图11 平板热管散热过程
平板热管可分为径向平板热管和轴向平板热管两种[3]，这主要取决于工质在热管内的流动方向和传热机理。径向平板热管如图12所示，热量传递方向是垂直于平板热管表面的。热管底部中心区域有一热源，腔内下表面上的液体工质在低真空环境下蒸发吸收热量，热的工质将向上运动，到达冷凝面后液化，携带的热量继续由上表面带走，液体工质则在毛细芯结构的作用下回到底部的蒸发面，由此构成一个循环。这种平板热管在热传递方向上的热阻更小，因而具有更大的热传导率，同时冷却面积也比一般的热管有所增加。图11所示的热管也是一种径向平板热管，工业上将这种径向平板热管称为均温板。与径向平板热管相比，轴向平板热管与传统的热管更接近，不过其工作原理跟径向平板热管类似。该热管在水平方向上从左至右依次为蒸发段、绝热段和冷凝段，如图13所示，通过腔体内工作流体的相变及蒸汽的流动，将热量从蒸发段送到冷凝段，以此来实现冷却。
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