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專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程（國內首套有關散熱理論設計的系統培訓課程）

                                                                        正文

由于計算機效能不斷的增加，更高速的CPU已成為追求效能的重要指標，其結果導致Intel與AMD的CPU發熱量不斷攀升，從早期的Pentium只有十幾瓦到現在的P4超過八十瓦的發熱量，在筆記型計算機上，這樣的發熱量已經無法使用傳統的風扇加上熱沉（heat sink）來達到冷卻的效果。因此，具備低熱組，高熱傳量的熱管逐漸在筆記型計算機上占有重要的地位。

國內已有數家熱管的生產廠商從事熱管的生產與制造，然而，都尚停留在網目與溝槽式的熱管制造，對于燒結式熱管的制造，仍以國外熱管廠商Thermacore Inc.為主，國內尚無技術成熟的開發廠商。

因此，本文主要說明燒結式微熱管的設計程序，包括燒結熱管重要的參數：工質的選擇、管殼材料的選擇、毛細結構的選擇。在這當中還需要考慮孔隙度、粉末粒徑及燒結層厚度對于熱管性能的影響，我們會從理論分析中利用一些參數作為評估的依據。

電子產品成敗關鍵之重要因素在于其性能優劣。然而隨著時代的需求，部分產品被要求攜帶方便，故輕薄短小也成為電子產品的必要條件，其中之一就是筆記型計算機的開發。為了兼顧性能及尺寸，它除了盡量縮小各原件尺寸，同時也大幅減少內部空間，原件越來越集中，甚至被設計成All In One，一方面造成熱源被集中，另一方面內部空間減少造成散熱更加困難。過去解決之道是在特定較大的發熱源如CPU上加裝風扇，配合設計的管道讓熱源散到外部。然而隨著CPU處理速度越來越快，發熱量也越大；尺寸要求越薄，過去使用風扇散熱的方式受到極大的考驗。1998年Intel更是直接要求廠商以熱管配合外部鰭片風扇來解決筆記型計算機內部散熱問題，在此之后國內外開始陸續有針對筆記型計算機使用的微熱管進行研究，而國外也開始有量產商品出現。

熱管系利用工作流體在相變化時所具有的潛熱來傳送熱量。在操作溫度范圍內，其傳熱能力約為銅等高熱傳導性材料的數十甚至數百倍之多，因而有熱的超導體之稱。利用熱管配合設計的模塊將主要發熱源產生的熱量傳到外部，除了有效解決小空間散熱的問題，同時兼顧到無噪音、不須提供額外能量的優點。

　

熱管操作原理

圖1為一典型的熱管示意圖，外層是一個密封的管體，沿管壁內側鋪設一定之毛細結構，毛細結構吸附一定量的工質，而熱管中央通道充滿工質的飽和蒸汽。當熱管的一端與熱源連結時，熱量通過管壁給毛細結構中的工質，液體表面溫度升高使其自由表面上的蒸發加強，故加熱端又稱蒸發區；熱管另一端與冷源結合或處于自然排熱狀態。蒸汽因蒸發區與冷凝區壓差影響由蒸發區流到冷凝區凝結為液態，放出汽化潛熱，通過管壁傳出去。如果中間的管壁絕熱條件良好，可同時忽略管壁導熱影響，則蒸汽區得到的熱量將全部交給冷凝區。
　

由熱管的原理可知，維持熱管工質不斷循環流動是熱管工作的基本條件，因此，毛細抽吸壓力必須與工質液體壓降和蒸氣壓降相平衡。其中毛細壓差與其結構有關，而液體壓降和蒸氣壓降則與毛細結構、工質特性有關之外，還隨工質流量增大而加大。當熱管的熱負荷加大時，熱管的質量流量也加大，當熱流量增大到某一程度，毛細壓差便不足以克服流動阻力，于是便發生流體中斷。此時，我們稱此為熱管到達毛細工作能力的極限。在此之前熱管能承受之最大熱負荷稱為最大熱傳量，因為這一最大熱傳量還與熱管長度有關，所以也有用最大熱傳量與有效長度的乘積來表示熱管的性能。當然，決定最大熱傳量并不只毛細限，還有所謂聲速限、攜帶限等。

除了上述熱傳量之外，一般熱管的另一個重要性能指針是熱阻，與固體導熱體相比，熱管的熱阻值很小，這是熱管的主要優點。對于固體導熱體而言，熱阻隨長度的增加而增大，但熱管的熱阻基本上取決于穿過蒸發區及冷凝區管壁及毛細結構厚度方向的熱阻，因而熱阻基本上與長度無關。

熱管能有很小的熱阻，除了表示他能在小溫差下有很大的傳熱能力外，還意味熱管有相當大的均溫能力。同時熱管重量輕、熱容量小、不消耗額外功率、工作可靠，因而在某種程度上可成為良好的導熱器材。除此之外，還可制作各種”可變熱導”熱管，這種熱管在運作時，可改變熱導或進行熱流方向控制。熱管的缺點，其一是，與固體導熱體相比，熱管的結構比較復雜，使用時還需考慮其熱負荷和使用的溫度范圍。其二是熱管中的毛細力比較小，在一般情形下還不足以完全克服重力，因此在地面使用時必然受方向的限制。

　

熱管之設計考量

在設計一個熱管之前，要針對設計熱管規格，先考量幾個問題：（1）選擇使用工質，（2）選擇管材，（3）選擇毛細結構。因為這些因素決定之后，便已經限制你設計的熱管的性能，而且這幾個因素還需要互相搭配，例如要使用水為工質時，管材的選擇就必須要與水不會發生反應的材質，另外，有些材質無法使用燒結的毛細結構來制作熱管，這都是需要事先考量的，我們在以下分別說明：

(一) 選擇工質

一般選擇熱管工質所要考慮的因素，除了熱管操作溫度范圍、高熱傳量與低熱阻，還需考量工質與管殼及毛結構的兼容性。
（1） 操作溫度：選擇沸點在操作溫度附近的工質才能使其順利在熱管內部進行蒸發和凝結，若操作溫度略低于工質沸點時，也可降低管內壓力使其易于蒸發。而凝固點則必須低于最低操作溫度，以防止工質凝固。考慮應用于筆記型計算機之微熱管，其操作溫度范圍約在40~100℃間，可選用的工質列于Table 1。

                                                                    Table 1 工質性質表

（2） 熱傳量：工質的表面張力大，在熱管內部液體流動過程中產生的毛細力便增加，有助于液體的回流；汽化潛熱大，表示單位質量吸收或釋放的熱量大，即熱傳量增加；液體黏滯系數小，在流動過程中阻力便降低，同樣有助于液體的回流。這些工質的特性，都會直接或間接影響熱管熱傳量，我們可以用Merit Number : 來表示工質傳輸特性：

 M 越大，表示工質液體傳輸能力越大，熱管的熱傳量也越大。圖2為應用于筆記型計算機的熱管操作溫度下，可選用工質之溫度與 的關系圖。圖中可以發現水較其它適用的工質約大了一個數量級數，而Flutec PP2與Flutec PP9則明顯太小而不適用。

　

                                                            圖2：工質之溫度與M的關系圖

　（3） 熱阻：一定蒸汽壓降下，蒸汽溫差小的工質使熱管的軸向熱阻較小。其次，徑向熱阻方面，對于本實驗操作溫度下適用的工質，導熱系數都較低，溫差主要取決于工質液體在毛細結構層中是否發生沸騰。針對本實驗使用燒結層為毛細結構時，沸騰產生的蒸汽容易受到液膜阻礙而在燒結層內增加徑向熱阻，因此應選擇較不易發生沸騰的工質。

（4） 管殼與毛細結構的兼容性：與管殼或毛細結構產生化學變化的工質是不能采用的。因此在選擇工質時，也應與管殼同時考量。前人針對兼容性做過許多實驗，Table 1為適合本實驗操作溫度下之工質，其與材質兼容性之試驗結果。
經由上述考量，本實驗采用水為工質進行實驗。

(二) 管殼材料之選擇

一般而言，應用于筆記型計算機的熱管除了必須有足夠的熱傳量，也必須盡量降低其熱阻。因此，在選擇管壁方面，必須選擇傳導率較高的材質，尤其對于管徑較小的熱管，管壁的傳導率往往決定了熱阻大小。基于這個因素，一般管壁可選擇無氧銅。其特性是熱傳導率高，這將更有助于達到降低熱阻的效果。此外，管壁材料的選擇還必須考慮焊接時的氣密性，擠壓性良好的無氧銅在制造上將有助于保持內部低壓的狀態。最后，燒結時爐內部通氫氣，無氧銅在這種還原氣氛中，即使加熱至高溫亦不至于引起氫脆化現象。

(三) 毛細結構之選擇

在毛細結構選擇方面，一般較小尺寸的熱管通常考慮使用單一結構，包括溝槽式、網目式及燒結式。本論文之所以選擇燒結式，是因為燒結所產生的有效毛細半徑很小，毛細力遠大過于溝槽所產生的毛細力；而熱阻方面，相較于網目式貼附于管壁不易緊密的缺點，燒結式熱管所產生的熱阻較網目式更低。

　

熱管之設計規格

我們以Table 2的熱管規格為例，其相關的參數表中所示。

這是為了制作適用于筆記型計算機內部的熱管規格，管徑不宜過大；而過小的管徑也會造成熱傳量大幅降低，無法合乎要求。根據目前筆記型計算機尺寸的設計，熱管管徑在內部僅能占約3mm，因此在有限的外徑下，增加管內徑將有助于熱傳量的提升。但在減少管壁厚度的同時，必須考慮到熱管在操作時必須承受約一大氣壓的壓力差，管壁過薄將使結構上向內變形。對于純銅的圓管在100℃時，平均直徑與管壁厚度的比值必須小于79。若平均直徑為3mm，則管壁必須大于0.038mm。因此，本實驗在管壁設計上并不太需要考慮這個問題，反而是抽制銅管時，一般能抽到最薄的程度是多少。目前市面上常見到的熱管，管壁大約都在0.3mm，故本實驗選取無氧銅管C1020T，外徑3mm，壁厚0.3mm，長度200mm。特別一提的是，熱管長度的設計上，隨筆記型計算機廠商設計熱模塊型式的不同而有不同的需求長度，在實驗中訂定200mm是考慮其為較一般使用的長度。例如在浩鑫的XPC當中，就使用6～8mm的熱管作為導熱之用，其長度也在150～200mm左右。

燒結層方面的尺寸設計，主要根據理論分析而來。燒結層會影響熱管性能的因素主要包括燒結層厚度、孔隙度與粉末粒徑。設計上，我們只能決定燒結層厚度與粉末粒徑，而孔隙度在實驗上目前是無法控制的變因，僅能在燒結后將其量測出來。熱傳量的計算，在前一章曾經提過它受五種限制影響，首先我們必須找出影響我們設計熱管的真正限制為何。圖3為假設管徑3mm、以水為工質在不同操作溫度下熱傳量受限于何種因素。圖中可發現在這種小尺寸、操作溫度約在40～100℃間主要受制于毛細限制。

　

                                                                   圖3：熱管之各種限制影響

使用毛細限熱傳量公式計算理論熱傳量，圖4為內徑2.4mm、長度200mm、操作溫度60℃水平放置之熱管，固定單一燒結層厚度及粉末粒徑，孔隙度對最大熱傳量及熱阻之理論計算結果圖。

　

由圖中可發現，理論計算上隨孔隙度增加，液體回流阻力減少，熱傳量大幅增加；而熱阻方面則因為空孔增加造成燒結層有效傳導率逐漸降低而使熱阻逐漸增加。這時候孔隙度的選擇就必須考慮我們制作的熱管應用上是高熱傳量較重要還是低熱阻值較重要。一般而言，熱管在筆記型計算機的熱模塊上，熱阻遠比其它接觸面產生的熱阻要小很多，一味降低熱管的熱阻對于最后熱模塊合計產生的熱阻幾乎沒有多大作用，因此這部分設計上還是盡量只考慮熱傳量的因素。這里介紹一個粉末特性的專有名詞—視密度(apparent density)，其指粉末不作攪拌下呈松散狀態的密度。視密度較低的粉末意味著當自然填粉時，造成的空孔較多，燒結后的孔隙度也較大。一般而言，電解粉較球狀粉末有較低的視密度，故選擇粉末時采用電解針狀粉。這里特別注意的一點是，因為本實驗在填粉過程中是采用讓粉末自然堆積的方式，一旦粉末形狀選擇后，孔隙度就大致決定了，而能再改變最大熱傳量及熱阻的因素就只剩燒結層厚度及粉末粒徑。由于使用針狀粉末堆積，在計算時與球狀堆積結果會有不同，但趨勢則大致是相同的。圖5為內徑2.4mm、長度200mm、操作溫度60℃水平放置之熱管，燒結層厚度、粉末粒徑對最大熱傳量及熱阻之理論計算結果圖。而設定孔隙度為55%除了根據熱管文獻指出一般使用燒結式熱管其孔隙度約在50～60%，本文實際量測結果也在此值附近。
　

　

圖5：wick厚度、粒徑與Qmax及R之關系

　

先看燒結層方面，增加燒結層厚度有助于最大熱傳量的增加，但也造成熱阻值加大，當燒結層厚度約在0.5mm時有熱傳量的極大值，厚度再增加反而造成蒸汽通道過窄影響熱傳量。粉末粒徑的影響主要在最大熱傳量方面，理論上其與熱阻無關。由圖中可發現，粒徑增加有助于熱傳量的提升，當燒結層厚度逐漸增加，粒徑增加對熱傳量的提升效果逐漸縮小；而當燒結層厚度較薄時，粒徑增加幾乎使熱傳量成等比例增加。但實際應用上仍有困難，例如使用燒結層厚度0.3mm、粒徑約100mm的粉末，幾乎已經占燒結層厚度的三分之一，在填粉時隨時都有可能形成架橋（bridging），造成燒結層間斷的情形。綜合燒結層厚度與粉末粒徑結果，顯示燒結層厚度選擇0.5mm、而粒徑~100mm能有較大的熱傳量。實驗采用Fukuda Metal Foil&Powder公司CE-8A電解純銅粉，規格如Table 2所示：

上述資料由Fukuda Metal Foil&Powder公司提供

                                                Table 2：本研究使用的相同粉粒徑分布　

一般制造粉末時，因很難制作出全部單一粒徑的粉末，因此在選取粉末粒徑時，僅考慮其平均粒徑約在100mm左右。

　

結論

未來筆記型計算機的發展，必定朝向更高的處理速度及更廣泛的使用范圍，相對的熱管設計也必須符合其規范，而使用燒結式微熱管能在尺寸不變的情況下提升其性能，故研發與量產燒結式微熱管已刻不容緩，如果廠商無法建立熱管的設計能力，將無法面對熱管為未來日益增加的需求。

未來在國內發展這項產品與技術，不僅有助于國內信息、醫療、儀器等產品的升級，利用微熱管技術所衍生的相關熱管產品如熱管散熱器、熱交換器等可以廣泛的應用在各種需要精密溫控、散熱的的產業中。

　

                                                                            THE END

（作者來自工研院光電所及臺灣大學機械工程學研究所）

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