均热板于信息产品散热之应用

均热板均温性取代热导管

传统上服务器与显示适配器等易累积或产生高热量之信息产品，其热管理多以风扇或散热模块来实现。散热模块由实心压铸件(spreader)、热导管(heat pipe)、热交换鳍片(fin)、风扇组成。(复数)热导管与压铸件组合之散热效果虽较单一压铸件底座来得好，然散热底座上近热源点与远热源点温差仍可达10℃以上，散热效果仍未臻理想。均热板(Vapor Chamber)之均温性可针对此点改善，功能上取代实心压铸件与热导管之组合。
　　
均热板结构与规格

均热板外观上为一平面板状物，上下各有一盖相互密合，其内有铜柱支撑。均热板上下两铜片以无氧铜为材质，通常以纯水为工作流体，毛细结构以铜粉烧结或铜网之工艺制作。均热板只要维持其平板特性，造型外廓上视应用之散热模块环境而定较无限制，使用时亦无置放角度上之限制。实际应用时在平板上任两点所测得温度差可小于10℃以内，
较热导管对热源之传导效果更均匀，均热板之名亦因此而来。常见之均热板其热阻值为 0.25℃/W，应用于 0℃～100℃。

均热板之运作原理

均热板工作原理与热导管者相同，包括了传导、蒸发、对流、凝固四个主要步骤。均热板是由纯水注入布满了微结构的容器而成的双相流体装置。热由外部高温区经由热传导进入板内，接近点热源周遭的水会迅速地吸收热量气化成蒸气，带走大量的热能。再利用水蒸气的潜热性，当板内蒸汽由高压区扩散到低压区(亦即低温区)，蒸气接触到温度较低的内壁时，水蒸气会迅速地凝结成液体并放出热能。凝结的水靠微结构的毛细作用流回热源点，完成一个热传循环，形成一个水与水蒸气并存的双相循环系统。均热板内水的气化持续进行，随着温度的变化腔体内的压力会随之维持平衡。水在低温运作时其热传导系数值较低，但因水的黏稠性会随温度不同而改变，故均热板在5℃或10℃时也可运作。由于液体回流是借着毛细力作用，因此均热板受重力的影响较小，应用系统设计空间的运用上就可为任何角度。均热板无需电源亦无任何移动组件，是个完全密封的被动式装置。

AMD的ATI Radeon HD 2900 XT绘图卡使用了Fujikura之均热板解决方案的热处理装置。水平二维的均热板将绘图芯片的热散至整个平面，更进一步藉由两根辅助热管把散去的热推升至垂直鳍片上，形成了三维的热管理。
均热板因温度分布均匀，故热阻值较低。Thermacore对电信系统使用三种冷却方案之热流分析显示，仅使用铝板散热在点热源仍可测得达112℃之高温，而距点热源远程约为 35℃，传热效果不甚理想，热阻值为 0.96℃/W。当铝板加上3根热导管后，热源处可降至 83℃，距热源远程升高为 64 ℃，已改善传热效果，热阻值为 0.61℃/W。进一步使用均热板，几乎测得整个板子温度分布在 73℃上下，热阻值为 0.54℃/W。相较仅使用铝板方案，均热板对降温改善约 35%。

铜网扩散接合与复合式微结构

与热导管不同，均热板产品制作上先抽真空再注入纯水，以便能填满所有微结构。充填的工质不用甲醇、酒精、丙酮等，而是使用除气的纯水，就不会有环保问题，并可提升均热板的效能及耐用度。均热板内的微结构主要有两种型态：粉末烧结、多层铜网，两者的效果相同。但粉末烧结的微结构其粉末质量与烧结质量不易控制，而多层铜网微结构施以扩散接合均热板上下之铜片及铜网，其孔径一致性及可控制性较优于粉末烧结的微结构，质量较稳定。较高的一致性可使液体流动较顺畅，进而可大幅缩减微结构的厚度，降低均热板的厚度，业界已有在150W的热传量时 3.00mm的板厚。铜粉烧结微结构之均热板，因质量不易控制，整体散热模块通常需辅以热导管之设计。

以扩散接合的多层铜网其接合强度与母材具相同强度，因气密性高就不需任何的焊料，在接合的过程中也不会产生微结构阻塞，制成之均热板的质量较佳且耐用时间较长。以扩散接合工法制作后如果孔洞漏气，也可经过重工修复。多层铜网除以扩散使之接合外，在近热源处接合较小孔径铜网之层次状设计，更可使蒸发区纯水补充迅速，整体均热板之循环更顺畅。更有进者将微结构模块化做区域化的设计，可运用于多热源的散热设计。因此，以扩散接合及区域化层次状设计之均热板，大幅增加了单位面积的热通量，传热效果也就优于烧结微结构的均热板。

均热板与热导管及压铸件之比较

综上述可知，均热板与实心压铸件及热导管之组合两者基本上原理与理论架构相同，不同处在于：维度、制作工法、抽真空及注水程序等。均热板实用上具备扩展热阻低、均匀的热通量、热量快速扩散、重量轻等优点。

均热板于服务器之应用

由于含热导管之散热模块价格已低，均热板目前价格竞争力仍不敌热导管，不需与热导管在笔记本电脑市场正面厮杀。加上均热板之快速散热能力，目前其应用针对电子产品之CPU或GPU其功耗在 80W～100W以上之利基市场。因此，均热板多为客制化产品，适于需小体积或需快速散高热之电子产品。目前主要使用于服务器、高阶绘图卡等产品，未来还可应用于高阶电信设备、高功率亮度的LED照明等之散热。

均热板在服务器的应用例有IBM之eServer刀锋中心(BladeCenter)。刀锋中心为一在7U的垂直高度内包含14个服务器，装设于标准服务器机架上之精简服务器架构。因此，6个刀锋中心系统(84个服务器)将装在一典型42U高的机架上。刀锋中心内部之服务器处理器、内存、存储器、输出入装置并装于一个称为服务器刀锋之单一空间，而系统管理、网络链接、电力、冷却等支持架构合并在一个单一结构，并且为许多服务器共享。每一个处理器刀锋功耗为 310W，每个服务器功耗为 5KW，因此每个机架功耗 30KW，算是IBM服务器中相当高功耗者，此等密致又高功耗的系统其热处理与冷却的设计就更形复杂困难。

电子产品系统之热设计需多方考虑，不局限于以均热板代替热导管而已。刀锋内所用的处理器决定了其热沉与固定技术。即便是最低功率之处理器，因铜之热传导系数401 W/(m·K)高于铝之237W/(m·K)，普遍而言热沉底座乃使用强固的铜为散热金属，但这就导致重量的问题。一般说来，使用Intel处理器之热沉为一低剖面，在底座上、下面均有弯折鳍片之设计。IBM处理器刀锋之处理器，绝大部分都使用了以均热板为基础之热沉以便加强热扩散，因此普遍一般说来就可使用铝制鳍片以减轻系统重量，但高功率之处理器仍需铜制鳍片。当然，也仍需要自处理器传热至热沉之热接口材料，并于处理器与热沉间给予适当之挤压力量以确保传导得宜。系统并使用冷却与电源管理之软件算法则，更进一步达成处理器刀锋在系统冷却与系统效能间平衡之需求。
　　  
均热板业者与未来发展

主要制作均热板二维散热毛细结构的方法除烧结、铜网外，尚有沟槽、金属薄膜等方法。全球以Thermacore(美国)、Fujikura(日本)为均热板生产主要领导厂商，其微结构均以铜粉烧结方式制作。Thermacore的主要市场是在航天工业及较高阶的信息与电信系统，Fujikura是现在最大的均热板散热模块供货商，主要客户为IBM。国内之奇双、双鸿、超众、旭扬热导、鼎沛等亦有研发均热板，然多为铜粉烧结方式。奥古斯丁以微量粉状金属薄膜均匀涂布制程来提升均热板效能，迈萪、沅达则采用铜网结构。

技术发展上，将来如何进一步降低均热板之热阻值，增强其热传导效果，以便搭配较轻如铝制之鳍片，始终为研发人员努力的目标。生产制作上提高生产良率，并寻找减少整体散热解决方案之成本，皆为产业发展之方向。产品应用上，均热板已较热导管自一维维度扩展至二维面的热传导，未来为解决其他可能之散热应用，新的均热板解决方案正陆续被开发中，如淡大微机电实验室已完成三维散热毛细结构的均热板。现阶段务实而言，就目前已发展之产品，如何扩展可能之应用市场，实为目前各均热板业者当务之急。