Eine leistungsstarke thermische Lösung für die 5G-Kommunikationskühlung
Die Wärmeableitung ist ein wichtiges Glied, um den langfristig sicheren und zuverlässigen Betrieb elektronischer Geräte und Produkte zu gewährleisten. Als am dichtesten genutzter Bereich für Wärmeableitungsgeräte wie Chips hat die Entwicklung der Kommunikations- und Informationstechnologie die Wärmeableitung oder das thermische Design zu einem systematischen Industriezweig gemacht. Forschung und Entwicklung in den Bereichen Energie, Sicherheit, Unterhaltungselektronik, Automobil, LED usw. legen auch zunehmend Wert auf die thermische Leistung von Produkten, um mehr Vorteile in der Wettbewerbsfähigkeit des Marktes zu erzielen. Derzeit entwickeln sich 5G-Kommunikations- und Informationsprodukte mit den Zielen größerer Kapazität, höherer Leistung, Energieeffizienz und geringem Lärm. Der Grad der Geräteintegration nimmt zu, mit leistungsfähigeren Single-Chip-Funktionen und deutlich erhöhtem Stromverbrauch. Allerdings wird das Layout immer kompakter und die Wärmestromdichte hat sich verdoppelt, was die Wärmetechnik vor große Herausforderungen stellt.
Herkömmliche thermische Systeme basieren hauptsächlich auf einphasigen Materialien, um die Wärme vom Gerät zur Oberfläche des Kühlkörpers zu leiten und die Wärme dann durch natürliche Konvektion (natürliches Kühlsystem) oder erzwungene Konvektion (erzwungenes Luftkühlsystem) an die Umgebung abzugeben Luft. Die Effizienz der Wärmeleitung hängt von der inhärenten Wärmeleitfähigkeit des Materials ab und wird auch durch diese begrenzt.
Die Phasenwechsel-Wärmeübertragungstechnologie, dargestellt durch Wärmerohre und VC (Vapor Chamber), nutzt das Medium, um im erhitzten Bereich zu verdampfen und im gekühlten Bereich zu kondensieren, während es die entsprechende latente Wärme des Phasenwechsels absorbiert oder abgibt und abwechselnd zirkuliert, um eine schnelle Diffusion zu erreichen oder Wärmewanderung. Die Aufnahme und Abgabe latenter Wärme ist ein schneller und effizienter Prozess. Bei der Zweiphasen-Wärmeübertragung werden in der Regel Arbeitsflüssigkeiten mit höherer latenter Wärme ausgewählt, was zu einer sehr hohen Wärmeübertragungseffizienz führt. Die äquivalente Wärmeleitfähigkeit kann über 2000 W/m·K erreichen
Die Dampfkammer ist derzeit das am weitesten verbreitete Phasenwechsel-Wärmeübertragungsprodukt in der Kommunikations- und Elektronikindustrie und verfügt über andere ausgereifte Prozesse als Wärmerohre. Ein typischer VC ist eine flache geschlossene Form, bestehend aus einer Hülle, einer Kapillarstruktur, einer Stützstruktur und einem Arbeitsmedium. Durch die Verdampfung, Kondensation und den kapillaren Transport des Arbeitsmediums wird eine effiziente Wärmeleitung erreicht, die die Wärme vom konzentrierten Bereich auf die gesamte Strukturebene verteilt.
Dank der Vorteile großflächiger Kapillareigenschaften und zweidimensionaler oder sogar dreidimensionaler Wärmediffusion verfügt VC über eine höhere Wärmeflusstragfähigkeit, insbesondere für die Kühlung elektronischer Geräte mit Wärmeflussdichten über 50 W/cm2. Der Temperaturausgleichseffekt ist deutlich besser als bei Wärmeableitungssubstraten aus reinem Metall oder eingebetteten Wärmerohren, was die Effizienz von Kühlkörpern erheblich verbessern kann. Angesichts des Entwicklungstrends der Chip-Wärmeflussdichte von über 100 W/cm2 ist VC zweifellos eine Schlüsseltechnologie zur Unterstützung der Leistungssteigerung von Kommunikationsgeräten.
Eine höhere VC-Leistung entspricht häufig der lokalen Verdichtung der Kapillarstruktur in der Verdampfungszone, die dem Standort der Wärmequelle entspricht. Die Oberfläche dieser Kapillarstrukturen erhöht nicht nur die Kapillarkraft und den Flüssigkeitsrückfluss, sondern erweitert auch die Verdunstungsfläche und erhöht die Verdunstungsrate. Aus dieser Perspektive umfasst das Design auch eine Schicht aus Kapillarmaterial, die den äußeren Teil der verschlüsselten Struktur aus reinem Metall bedeckt. Da reine Metalle, insbesondere reines Kupfer, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kapillarstrukturen aufweisen, leitet das innere reine Metall die Wärme effizienter zur Oberflächenkapillarstruktur und die Festigkeit reiner Metalle ist ebenfalls besser. Es gibt verschiedene Designformen dieses Typs und die VC-Wärmeflusstragfähigkeit kann 30-100W/cm2 erreichen.
Mit dem Entwicklungstrend von Chips mit hohem Stromverbrauch und hoher Wärmeflussdichte besteht eine höhere Nachfrage nach der Temperaturausgleichsleistung von VC. Das Optimierungsdesign von VC muss die Kapillarleistung verbessern und gleichzeitig die Effizienz der Wärmeleitung und des Gas-Flüssigkeits-Transports aus mehreren Aspekten von Materialien und Strukturen steigern, wodurch der Wärmewiderstand von VC erheblich verringert wird. Nur dann kann die Temperaturdifferenz von der Wärmequelle zur kalten Oberfläche von VC auch bei einer Verdoppelung oder sogar Vervielfachung der Arbeitswärmestromdichte noch mit dem aktuellen Niveau unter Anwendungsbedingungen niedriger Wärmestromdichte vergleichbar sein.
