畅能达小课堂 | 高热流密度场景与相变器件应用介绍

具备高热流密度应该怎样理解？什么东西具备高热流密度呢？

我这里简单举几个例子，比如相控阵雷达，它是在我国军舰上的一款最新研发的雷达。使用这个雷达一般不超过一个小时，那它具备高热流密度，是因为耗电量大吗？不是的，其实是因为它的发热特别严重，高温对于电子器件的影响又是永久性的。其中一个是热失效，还有一个就是应力损坏。

所谓的热失效，就是因为器件内部的一些材料，它的熔点都是不同的，当你的温度高达到某一个临界点的时候，部分材料就会发生融化，那这个器件的话就永久性的失效了。然后应力损坏呢，是因为这个电力电子器件里面的每一个材料，热膨胀系数都不同。当你温度升高，有些材料会发生弯曲或者拉伸之类的形变，在这样的相互拉扯之下，材料中间那些焊点或者线路都会遭到一定程度的损坏。这就是我们做温控的一个目的。

高温对电力电子器件的影响？

1.热失效：温度过高导致器件内热击穿，甚至部分材料热熔化；

2.应力损坏：器件中各组分热膨胀系数差异大。

图：温度变化产生的应力导致器件基板断裂

再举一个CPU的例子，这也是一个典型的高热流密度的应用场景，现在最高呢一般是可以达到100W/cm²的一个热流密度。这个参数和热导率不同，热导率是我们用来形容器件的传热速度，也代表我们相变器件里面的一个气液循环的速度。而如果别人问我们“这个能解多少瓦的功率？”，则是在问这个东西能解多少的热量密度，这是不同的。

还有一点就是功率，为什么我们说器件的传热功率是有极限的呢？如果热端的表面蒸发速度过快的话，液态水就无法及时回流到蒸发端再进行二次蒸发，那么蒸发端就会出现烧干的现象。这个时候我们的器件就会发生失效，甚至比铜还更差，换句话说就是达到了临界热流密度极限。因此，我们研发做的事情就是想办法提高器件的吸液能力，让它能够发生更多的相变，带走更多的热。

针对高热流密度的散热方法有哪些？

以上我们简单了解了一下高热流密度，目前我们定义呢，超过50W/cm²就是高热流密度了，而现在主流的芯片一般也能达到这个数值。接下来我们再说一下，目前针对高热流密度散热有哪些方法？

这里我拿了华为的麒麟990芯片做一个示例，它这个芯片的面积是1.13cm²，总共有八核处理器，单核的功率是1.56。所以折合算下来，如果八核全部功率拉满，也就相当于开几十个王者荣耀吧，总功耗是达到了11W/cm²，也是它的峰值热流密度。

第一个散热方式就是风冷散热系统，比如可以看到我们的笔记本电脑后面是排布了很多热管的，两边是两个风扇，里面的CPU和GPU是发热最严重的两个部分。一般电子元器件采取风冷散热的话，能解的热流密度是15W/cm²。

针对现代的这种芯片，我们基本上是已经淘汰了风冷的方式。现在学术界研发出来了很多第三代、第四代的针对高热流密度的冷却方法啊，像我接下来要说的第二个散热方式——液体喷雾冷却。它是将冷却液直接喷淋在这个发热体上，能解的热流密度是1,200W/cm²。看到下图，它是有三代发展的，逐渐进行优化。

第一代的水冷板离发热芯片是有好几层的，热阻很大；到第二代散热技术之后，热沉换成了金刚石铜，测试过后能解的热流密度是200W/cm²左右；第三代则是在芯片底部嵌入了一个微通道，相当于是把芯片直接和水冷板相复合到了一起，利用微米级的3D打印技术，制造出中间一个一个微小的流道。芯片微通道复合式的这种散热结构，热流密度是可以解到1,723W/cm²，这个数字还是非常震撼的。

但是问题来了，它用常规的机加工是制造不出来的，需要3D打印光刻技术，而全世界范围内先进的光刻机都没有几台。前面这些很多都只停留在学术界的研究上，非常难以落实应用。

高热流密度散热相变封装基板

现在来看一下我们这个高热流密度散热相变封装基板，看似很简单，但能够解500W/cm²的热流密度。这个可以看我们前段时间上新华社、人民日报的那篇文章，讲的就是这个技术。

今天我用通俗的话，结合前面的介绍来讲。我们的优势有四点：一是成本低，这块VC夹在发热体和液冷板之间，成本三位数能够搞定。对比上面我们说的金刚石铜，在相同体积的情况下它可能需要3,800到4,000块钱，可以说是非常贵了，微通道散热用到的3D打印光刻成本就更加离谱。所以，成本是我们的第一个优势。

二是可量产，我们VC和液冷板、发热体都是不同的东西，我们只需要提供高性能的VC，加在产品现有的散热结构上即可，不管是传热还是解高热流密度，都会产生积极的质变影响。

三是安装便捷，四则是可靠性高。我们VC封装在一个真空的环境里，里面的液体不会对芯片或者液冷板产生腐蚀等影响。像浸没式液冷把芯片放在冷却液里，还是让人不那么放心的，而且冷却液还得定期更换和维护，需要把冷却液放出来，把里面冲洗干净，再换一批新的冷却液进去，非常麻烦。再比如嵌入式微通道，里面也是有流体经过这些微米级通道的，难免会有一些杂质的沉积或者腐蚀，后期成本相应来说会更高。

总结来说，我们针对高热流密度场景所作出的解决方案，在技术上已达到世界一流水平，不仅在散热性能上远超金刚石类基板，还大大降低了生产成本，未来可全面取代金刚石类散热产品，有效解决散热的卡脖子难题哦。

经国家相关权威部门测试，在同等测试条件下，该公司研发的相变封装基板能够有效解决515.08W/cm²的热源散热，而传统纯水冷板、金刚石铝与金刚石铜的散热效率仅为81.35W/cm²、161.16W/cm²和234.24W/cm²，分别提升533.16%、119.89%和219.61%。并且，基板在230℃高温下变形量小于5um，有效解决封装基板与芯片间的焊接难题

审核编辑 黄宇