芯片​​热管理，最新突破

将过剩热量从小型组件转移到系统层面一直是一个挑战。有很多方法可以实现这一点，可以单独使用或组合使用：散热器、热管、冷板、被动和主动对流冷却以及液体冷却。热管是其中最有趣的一种，因为它是完全被动式的，没有移动部件；它是一种闭环、概念简单的传热机制，利用基本的热物理学原理将热量从热源传导到较冷的散热端。（它也很有趣，可以用于面向STEM的年轻人的科学演示，因为它在“启动”时传递热量的速度总是令人印象深刻。）

热管是有效且高效的，但有一个缺点，几乎所有的散热设备都有：它们及其相关的散热元件相对于它们负责保持冷却的微小、炽热的IC或多芯片器件来说，都相对较大。虽然有人试图将其小型化，但热物理定律使其变得非常困难。

然而，这种情况可能正在改变。来自日本名古屋大学的科学家们开发了一种创新的冷却设备。他们的超薄环路热管显著改善了小型、轻薄应用（如智能手机）中电子元件的热量控制。其目标角色是放置在核心处理器等发热组件下方，使其保持在温度范围内。

日本的新方法

环路热管(LHP)是一种利用毛细芯内的毛细管力来运行的传热设备。图1显示了典型圆柱形LHP的示意图，由蒸发器、蒸汽管路、冷凝器、液体管路和补偿腔(CC)组成。当热量施加到蒸发器时，液体在毛细芯界面蒸发，产生的蒸汽通过凹槽和蒸汽管路被输送到冷凝器。

图1：圆柱形环路热管示意图显示了其概念上的简洁性。

蒸汽在冷凝器中冷凝成液体，然后返回补偿腔。与热管和均热板(vapor chambers)不同，LHP仅在蒸发器中放置毛细芯，从而将液体和蒸汽的流动路径分开。这种差异减少了流体通过毛细芯时的压力损失，允许更长距离的热量传输并能处理高热通量的热源。

LHP使用与传统点对点线性热管相同的原理，但具有更复杂的结构，提供了几个优势。标准热管使液体沿直线路径移动，但LHP具有闭环设计，液体在系统中连续移动。它还有一个“储液器”，充当液体的存储区域，有助于保持系统稳定并确保循环顺畅。

这种超薄环路热管的制造对名古屋大学团队来说是一个挑战。他们在薄铜片上制造出流道，包括一个由烧结铜粉（使用热量或压力将铜粉压实成的固体多孔结构）制成的毛细芯，并用激光焊接将它们焊接在一起，形成一个坚固、精密的单元。

该系统在薄铜通道内使用水作为冷却剂。水吸收热量，蒸发，移动到较冷的区域，冷凝回液体，循环往复。整个组件仅有0.3mm厚，因此其对最终产品厚度的影响几乎可以忽略不计（图2）。

图2：UTLHP的照片及其关键尺寸。

这不是该团队的第一个超薄环路热管(UTLHP)设计。该设计在其前辈的基础上进行了许多改进，包括：

• 基于数值模型和相关分析重新设计了UTLHP。
• 为了解决LHP变薄导致毛细管力降低的问题，通过在薄铜片上烧结铜粉来形成毛细芯。
• 先前研究中的冷凝器尺寸较大，难以安装在移动设备中，但在这项研究中，团队基于设计计算成功地使冷凝器变得紧凑，使其可以安装在移动设备中。
• 在毛细芯的补偿腔侧安装了二级毛细芯，以便UTLHP可以在任何方向上运行。
• 在整个流道中以规则的间隔安装了支撑柱，以防止内部流道堵塞。
• UTLHP外壳是通过蚀刻两块铜板，并在其中一块板上烧结铜粉作为毛细芯来制造的。
• 考虑到提高UTLHP的结构强度和大规模生产，外部外壳的连接方法从锡焊改为了激光焊接。

测试证实了模拟结果

名古屋大学团队测试了UTLHP在不同充水量和多种位置下的表现，以模拟用户手持移动设备的不同方向。该设备可以在垂直和水平方向上传输10W的热量。先前UTLHP中的冷凝器尺寸较大，导致难以安装在移动设备中。在这项研究中，从设计阶段就基于数值模型优化了紧凑性，实现了三个关键特性：轻薄、高性能和易于集成。

当换算成导热系数时，该设备的传热能力约是铜的45倍，是石墨片的约10倍。铜和石墨都以其出色的导热性而闻名。这表明这款新设备尽管超薄，但具有极高的冷却能力。此外，由于UTLHP遵循智能（非接触式）卡的国际标准尺寸，它未来可用于日益复杂的智能卡。

名古屋大学团队还在各种方向上进行了广泛的热、压力和流动测试，以模拟在智能手机中的使用。在一次测试运行中（图3），拟合参数是外管壁与大气之间的传热系数、蒸发传热系数以及热源与蒸发器之间的接触传热系数。

图3：在水平方向、65%液体填充率的UTLHP下，热源、蒸发器和冷凝器的稳态温度与数值模型结果的比较。

根据实验结果，这些参数估计分别为20W/m²/K、17000W/m²/K和2700W/m²/K。测量结果与建模和模拟的预期接近。

研究人员指出，存在替代方案，但它们有其局限性。例如，石墨片已被用于移动设备的散热。它们凭借其高平面内导热系数和小于0.1mm的厚度，适合用于薄型电子设备的散热。然而，它们的导热系数被限制在1650W/m/K，因为它们是固体热导体，因此不擅长在保持小温差的情况下传输热量，也无法处理高热通量。

相比之下，带有均热板的薄型热管利用饱和蒸汽传输潜热，因此它们可以在小温差下传输热量，其有效导热系数相当于5000W/mK或更高。