暢能達小課堂 | 高熱流密度場景與相變器件應用介紹

具備高熱流密度應該怎樣理解？什么東西具備高熱流密度呢？

我這里簡單舉幾個例子，比如相控陣雷達，它是在我國軍艦上的一款最新研發(fā)的雷達。使用這個雷達一般不超過一個小時，那它具備高熱流密度，是因為耗電量大嗎？不是的，其實是因為它的發(fā)熱特別嚴重，高溫對于電子器件的影響又是永久性的。其中一個是熱失效，還有一個就是應力損壞。

所謂的熱失效，就是因為器件內部的一些材料，它的熔點都是不同的，當你的溫度高達到某一個臨界點的時候，部分材料就會發(fā)生融化，那這個器件的話就永久性的失效了。然后應力損壞呢，是因為這個電力電子器件里面的每一個材料，熱膨脹系數(shù)都不同。當你溫度升高，有些材料會發(fā)生彎曲或者拉伸之類的形變，在這樣的相互拉扯之下，材料中間那些焊點或者線路都會遭到一定程度的損壞。這就是我們做溫控的一個目的。

高溫對電力電子器件的影響？

1.熱失效：溫度過高導致器件內熱擊穿，甚至部分材料熱熔化；

2.應力損壞：器件中各組分熱膨脹系數(shù)差異大。

圖：溫度變化產(chǎn)生的應力導致器件基板斷裂

再舉一個CPU的例子，這也是一個典型的高熱流密度的應用場景，現(xiàn)在最高呢一般是可以達到100W/cm2的一個熱流密度。這個參數(shù)和熱導率不同，熱導率是我們用來形容器件的傳熱速度，也代表我們相變器件里面的一個氣液循環(huán)的速度。而如果別人問我們“這個能解多少瓦的功率？”，則是在問這個東西能解多少的熱量密度，這是不同的。

還有一點就是功率，為什么我們說器件的傳熱功率是有極限的呢？如果熱端的表面蒸發(fā)速度過快的話，液態(tài)水就無法及時回流到蒸發(fā)端再進行二次蒸發(fā)，那么蒸發(fā)端就會出現(xiàn)燒干的現(xiàn)象。這個時候我們的器件就會發(fā)生失效，甚至比銅還更差，換句話說就是達到了臨界熱流密度極限。因此，我們研發(fā)做的事情就是想辦法提高器件的吸液能力，讓它能夠發(fā)生更多的相變，帶走更多的熱。

針對高熱流密度的散熱方法有哪些？

以上我們簡單了解了一下高熱流密度，目前我們定義呢，超過50W/cm2就是高熱流密度了，而現(xiàn)在主流的芯片一般也能達到這個數(shù)值。接下來我們再說一下，目前針對高熱流密度散熱有哪些方法？

這里我拿了華為的麒麟990芯片做一個示例，它這個芯片的面積是1.13cm2，總共有八核處理器，單核的功率是1.56。所以折合算下來，如果八核全部功率拉滿，也就相當于開幾十個王者榮耀吧，總功耗是達到了11W/cm2，也是它的峰值熱流密度。

第一個散熱方式就是風冷散熱系統(tǒng)，比如可以看到我們的筆記本電腦后面是排布了很多熱管的，兩邊是兩個風扇，里面的CPU和GPU是發(fā)熱最嚴重的兩個部分。一般電子元器件采取風冷散熱的話，能解的熱流密度是15W/cm2。

針對現(xiàn)代的這種芯片，我們基本上是已經(jīng)淘汰了風冷的方式?，F(xiàn)在學術界研發(fā)出來了很多第三代、第四代的針對高熱流密度的冷卻方法啊，像我接下來要說的第二個散熱方式——液體噴霧冷卻。它是將冷卻液直接噴淋在這個發(fā)熱體上，能解的熱流密度是1,200W/cm2?？吹较聢D，它是有三代發(fā)展的，逐漸進行優(yōu)化。

第一代的水冷板離發(fā)熱芯片是有好幾層的，熱阻很大；到第二代散熱技術之后，熱沉換成了金剛石銅，測試過后能解的熱流密度是200W/cm2左右；第三代則是在芯片底部嵌入了一個微通道，相當于是把芯片直接和水冷板相復合到了一起，利用微米級的3D打印技術，制造出中間一個一個微小的流道。芯片微通道復合式的這種散熱結構，熱流密度是可以解到1,723W/cm2，這個數(shù)字還是非常震撼的。

但是問題來了，它用常規(guī)的機加工是制造不出來的，需要3D打印光刻技術，而全世界范圍內先進的光刻機都沒有幾臺。前面這些很多都只停留在學術界的研究上，非常難以落實應用。

高熱流密度散熱相變封裝基板

現(xiàn)在來看一下我們這個高熱流密度散熱相變封裝基板，看似很簡單，但能夠解500W/cm2的熱流密度。這個可以看我們前段時間上新華社、人民日報的那篇文章，講的就是這個技術。

今天我用通俗的話，結合前面的介紹來講。我們的優(yōu)勢有四點：一是成本低，這塊VC夾在發(fā)熱體和液冷板之間，成本三位數(shù)能夠搞定。對比上面我們說的金剛石銅，在相同體積的情況下它可能需要3,800到4,000塊錢，可以說是非常貴了，微通道散熱用到的3D打印光刻成本就更加離譜。所以，成本是我們的第一個優(yōu)勢。

二是可量產(chǎn)，我們VC和液冷板、發(fā)熱體都是不同的東西，我們只需要提供高性能的VC，加在產(chǎn)品現(xiàn)有的散熱結構上即可，不管是傳熱還是解高熱流密度，都會產(chǎn)生積極的質變影響。

三是安裝便捷，四則是可靠性高。我們VC封裝在一個真空的環(huán)境里，里面的液體不會對芯片或者液冷板產(chǎn)生腐蝕等影響。像浸沒式液冷把芯片放在冷卻液里，還是讓人不那么放心的，而且冷卻液還得定期更換和維護，需要把冷卻液放出來，把里面沖洗干凈，再換一批新的冷卻液進去，非常麻煩。再比如嵌入式微通道，里面也是有流體經(jīng)過這些微米級通道的，難免會有一些雜質的沉積或者腐蝕，后期成本相應來說會更高。

總結來說，我們針對高熱流密度場景所作出的解決方案，在技術上已達到世界一流水平，不僅在散熱性能上遠超金剛石類基板，還大大降低了生產(chǎn)成本，未來可全面取代金剛石類散熱產(chǎn)品，有效解決散熱的卡脖子難題哦。

經(jīng)國家相關權威部門測試，在同等測試條件下，該公司研發(fā)的相變封裝基板能夠有效解決515.08W/cm2的熱源散熱，而傳統(tǒng)純水冷板、金剛石鋁與金剛石銅的散熱效率僅為81.35W/cm2、161.16W/cm2和234.24W/cm2，分別提升533.16%、119.89%和219.61%。并且，基板在230℃高溫下變形量小于5um，有效解決封裝基板與芯片間的焊接難題

審核編輯 黃宇