یک راه حل حرارتی قدرتمند برای خنک کننده ارتباطات 5G

اتلاف گرما یک پیوند مهم در تضمین عملکرد طولانی مدت ایمن و قابل اعتماد دستگاه ها و محصولات الکترونیکی است. توسعه ارتباطات و فناوری اطلاعات به عنوان پرکاربردترین زمینه برای دستگاه های دفع گرما مانند تراشه ها، اتلاف گرما یا طراحی حرارتی را به یک صنعت سیستماتیک تبدیل کرده است. تحقیق و توسعه در زمینه های برق، امنیت، لوازم الکترونیکی مصرفی، خودرو، LED و غیره نیز به طور فزاینده ای بر عملکرد حرارتی محصولات تاکید دارند تا از مزایای بیشتری در رقابت در بازار برخوردار شوند. در حال حاضر، محصولات ارتباطی و اطلاعاتی 5G به سمت اهداف ظرفیت بیشتر، عملکرد بالاتر، بهره وری انرژی و نویز کم در حال توسعه هستند. سطح ادغام دستگاه با عملکردهای تک تراشه قدرتمندتر و مصرف انرژی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. با این حال، طرح فشرده تر می شود و چگالی شار حرارتی دو برابر شده است و چالش های جدی برای فناوری حرارتی ایجاد می کند.

سیستم های حرارتی سنتی عمدتاً به مواد تک فاز متکی هستند تا گرما را از دستگاه به سطح هیت سینک هدایت کنند و سپس گرما را از طریق همرفت طبیعی (سیستم خنک کننده طبیعی) یا جابجایی اجباری (سیستم خنک کننده هوای اجباری) به محیط پراکنده می کنند. هوا راندمان رسانش گرما به رسانایی حرارتی ذاتی ماده بستگی دارد و همچنین با آن محدود می شود.
فناوری انتقال حرارت تغییر فاز که توسط لوله‌های حرارتی و VC (محفظه بخار) نشان داده می‌شود، از محیط برای تبخیر در ناحیه گرم شده و متراکم شدن در منطقه خنک‌شده استفاده می‌کند، در حالی که گرمای نهان مربوطه تغییر فاز را جذب یا آزاد می‌کند و به طور متناوب برای رسیدن به انتشار سریع در گردش است. یا مهاجرت گرما جذب و آزادسازی گرمای نهان فرآیندی سریع و کارآمد است و در هنگام استفاده از انتقال حرارت دو فازی، معمولاً سیالات کاری با گرمای نهان بالاتر انتخاب می‌شوند که در نتیجه راندمان انتقال حرارت بسیار بالاست. رسانایی حرارتی معادل می تواند به بیش از 2000 W/m · K برسد

اتاق بخار در حال حاضر پرکاربردترین محصول انتقال حرارت تغییر فاز در صنایع ارتباطات و الکترونیک است که فرآیندهای بالغی غیر از لوله های حرارتی دارد. یک VC معمولی یک فرم بسته مسطح است که از پوسته، ساختار مویرگی، ساختار نگهدارنده و سیال کاری تشکیل شده است. از طریق تبخیر، تراکم و انتقال مویرگی سیال عامل، هدایت گرما کارآمد حاصل می شود و گرما را از ناحیه متمرکز به کل صفحه ساختاری پخش می کند.

به لطف مزایای ویژگی های مویرگی با مساحت بزرگ و انتشار حرارتی دو بعدی یا حتی سه بعدی، VC ظرفیت حمل شار حرارتی بالاتری دارد، به ویژه برای خنک کردن دستگاه های الکترونیکی با تراکم شار حرارتی بیش از 50W/cm2. اثر یکسان سازی دما به طور قابل توجهی بهتر از فلز خالص یا بسترهای اتلاف حرارت لوله حرارتی تعبیه شده است که می تواند کارایی سینک های حرارتی را تا حد زیادی بهبود بخشد. تحت روند توسعه چگالی شار حرارتی تراشه بیش از 100W/cm2، VC بدون شک یک فناوری کلیدی است که از ارتقاء عملکرد تجهیزات ارتباطی پشتیبانی می کند.

VC با کارایی بالاتر اغلب با متراکم شدن ساختار مویرگی موضعی در منطقه تبخیر مربوط به محل منبع گرما مطابقت دارد. سطح این ساختارهای مویرگی علاوه بر افزایش نیروی مویرگی و رفلاکس مایع، باعث گسترش منطقه تبخیر و افزایش سرعت تبخیر می شود. از این منظر، طرح همچنین شامل لایه ای از مواد مویین است که قسمت بیرونی ساختار فلزی خالص رمزگذاری شده را می پوشاند. از آنجایی که فلزات خالص، به ویژه مس خالص، رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به ساختارهای مویرگی دارند، فلز خالص داخلی گرما را به طور موثرتری به ساختار مویین سطحی هدایت می کند و همچنین استحکام فلزات خالص نیز بهتر است. اشکال طراحی مختلفی از این نوع وجود دارد و ظرفیت حمل شار حرارتی VC می تواند به 30-100W/cm2 برسد.

با روند توسعه مصرف انرژی بالا و تراشه های با چگالی شار حرارتی بالا، تقاضای بالاتری برای عملکرد یکسان سازی دما VC وجود دارد. طراحی بهینه سازی VC باید عملکرد مویرگی را بهبود بخشد و در عین حال کارایی رسانش گرما و انتقال گاز-مایع را از جنبه های مختلف مواد و ساختارها افزایش دهد و در نتیجه مقاومت حرارتی VC را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. تنها در این صورت است که تفاوت دما از منبع گرما تا سطح سرد VC هنوز می تواند با سطح فعلی در شرایط اعمال چگالی شار گرمایی کم قابل مقایسه باشد، حتی زمانی که چگالی شار حرارتی کار دوبرابر یا حتی چند برابر شود.