熱管和VC均熱板的應(yīng)用區(qū)別

熱管和VC均熱板的應(yīng)用區(qū)別

當(dāng)前，很多熱設(shè)計(jì)項(xiàng)目中都會(huì)用到熱管、VC，這兩種之間有很多相似性，但實(shí)際應(yīng)用中卻有很多不同。本文從結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)考慮上說說其中的差異。

熱管的原理大家都很清楚，熱管內(nèi)壁是一層毛細(xì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充入液體并抽真空。安裝在熱源端的我們叫蒸發(fā)端，當(dāng)有熱量釋放后，蒸發(fā)端內(nèi)部液體氣化，轉(zhuǎn)移到壓力較低的另外一端冷凝端，在冷凝端受冷又凝結(jié)為水。從這個(gè)過程上講，熱管和VC看起來是一回事。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成本熱管的原理大家都很清楚，熱管內(nèi)壁是一層毛細(xì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充入液體并抽真空。安裝在熱源端的我們叫蒸發(fā)端，當(dāng)有熱量釋放后，蒸發(fā)端內(nèi)部液體氣化，轉(zhuǎn)移到壓力較低的另外一端冷凝端，在冷凝端受冷又凝結(jié)為水。從這個(gè)過程上講，熱管和VC看起來是一回事。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成本



散熱設(shè)計(jì)考慮因素



熱管

幾十年來，基于成本差異，熱管一直是熱設(shè)計(jì)工程師的優(yōu)先選擇。熱管選擇靈活，也可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)多根熱管聯(lián)合應(yīng)用。由于其低成本和設(shè)計(jì)靈活性在很多應(yīng)用場(chǎng)景仍然保持優(yōu)勢(shì)。



熱管冷卻筆記本電腦（維基百科）

更大的總功率和功率密度需求都要求使用多個(gè)熱管用于解決散熱帶來的挑戰(zhàn)。下面的兩張圖片都是用于小型高性能臺(tái)式電腦的散熱器。左側(cè)的那個(gè)在熱源和熱管之間使用銅基板，這在熱管應(yīng)用中是常見的（間接接觸）。隨著CPU熱量在該產(chǎn)品中的持續(xù)增加，散熱遇到了問題，但設(shè)計(jì)中并不希望從根本上重新設(shè)計(jì)散熱方案，如右圖所示。在這里，VC取代了銅基板，在熱源上更均勻地散熱，并將其更有效地傳遞到熱管。這就是兩種散熱組件混合使用的典型案例。





熱管散熱器 - （L）使用固體銅基板，（R）使用VC（ixbtlabs.com和Celsia）

這個(gè)問題的一個(gè)替代方案可能是所謂的“直接接觸”熱管。但是，這種解決方案也有其缺點(diǎn)。如下所示，此設(shè)計(jì)使用打扁和機(jī)加的熱管，這些熱管嵌入鋁板，直接接觸熱源。雖然消除了基板和芯片之間因?yàn)閷?dǎo)熱材料引入的熱阻(實(shí)際中間還需要導(dǎo)熱材料)，但他不能降低在基板的擴(kuò)散熱阻。





直接接觸熱管（Silverstonetek）



傳統(tǒng)兩片式VC

大部分VC廠家都使用傳統(tǒng)的兩片式設(shè)計(jì)。雖然研究和實(shí)際應(yīng)用表明，使用VC散熱器的性能比熱管提高20-30％，但兩片式設(shè)計(jì)的成本和多管熱管應(yīng)用差不多。但基于應(yīng)用上的一些散熱優(yōu)勢(shì)，兩片式VC在應(yīng)用中逐漸增多。

兩片式設(shè)計(jì)在制造上比較方便，幾乎可以做成任意形狀。結(jié)構(gòu)形式的靈活性是它一大優(yōu)勢(shì)。





傳統(tǒng)的兩片式VC（anandtech.com和Celsia）



如前所述，平面方向形狀多樣性是優(yōu)點(diǎn)，但成本增加，以及Z方向缺乏靈活性是它的典型缺點(diǎn)。例如，兩片式設(shè)計(jì)無法折成U型。

單片式一體化VC

單片式一體化VC比兩片式VC成本降低，保持了相同的熱性能特性，同時(shí)增加了一些獨(dú)特的功能（例如U形彎曲）。與熱管一樣，單片式VC和熱管一樣，與熱源直接接觸，具有多向熱流。但是它們的生產(chǎn)成本較低，因?yàn)樗鼈兩a(chǎn)過程簡單，需要的生產(chǎn)工具較少，也較少了不必要的焊接工作量。





單片式一體化VC



設(shè)計(jì)步驟

步驟＃1 - 首先判斷位置

考慮到這些限制，重點(diǎn)在于散熱器本身，首先應(yīng)了解冷凝器是否遠(yuǎn)離熱源或局部于熱源。

· 如果距離超過40-50mm，用熱管更好。設(shè)計(jì)靈活性高，允許彎曲和打扁，以符合三個(gè)維度中的任何形狀。

· 如果重點(diǎn)解決擴(kuò)散熱阻，那么采用VC散熱方案是最好的，但基本條件是散熱器與熱源的周長比大于30：1。

步驟2：簡單計(jì)算確定散熱器性能

可以通過簡單計(jì)算，來確定散熱器性能，做基本的判定。這可以告訴我們，熱量 - 空氣、空氣溫升之間的關(guān)系。翅片到空氣，空氣自己的溫升是整個(gè)系統(tǒng)中最大的溫升組成。因此設(shè)計(jì)重點(diǎn)是加大翅片面積、增大流量以及降低壓降。

· 如果熱裕量低于10℃，考慮純銅或熱管。對(duì)于低功耗設(shè)備，單個(gè)熱管通常就足夠了。通過總功耗，我們可以估算出攜帶熱量所需的熱管數(shù)量。例如，一個(gè)6毫米的熱管可以攜帶45W的熱量。

· 如果它低于5℃，那么可能需要VC。對(duì)于高功率的小型設(shè)備，通常VC是最佳解決方案。另一方面，VC通常不會(huì)達(dá)到其性能極限，因此它們的尺寸可以覆蓋盡可能多的散熱器基板。由于它們的扁平形式，VC和芯片之間可以直接接觸。





上圖是LED應(yīng)用的示例。在該示例中，將兩個(gè)8mm的熱管與具有相似成本的單個(gè)15mm寬的VC進(jìn)行比較。每個(gè)方案代表使用不同長度的鰭。如所見，VC提供額外的4-5℃的熱余量。

步驟＃3 - CFD分析以優(yōu)化設(shè)計(jì)

更進(jìn)一步，對(duì)熱管、VC詳細(xì)建模，通過系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)來優(yōu)化組件應(yīng)用。確保整個(gè)系統(tǒng)滿足散熱要求。

當(dāng)前，電子產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)CFD仿真工具主要有Flotherm、FlothermXT、6SigmaET、Icepak。不同軟件之間各有優(yōu)劣，不在本文詳述。對(duì)于熱管或VC建?；径疾捎酶黜?xiàng)同性等效結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置5000-10000。