使用均热板进行电子冷却是一种相当常见的设计选择。该均热板设计指南适用于最流行的应用类型：CPU/ASIC 到功率范围约为 20-250 瓦、功率密度大于 20 W/cm 2以及热源尺寸介于 10-30 平方毫米之间的放大器应用. 重点是使用带有烧结铜芯的铜外壳和水作为工作流体的均热板冷却。本指南涵盖以下主题。
- 蒸汽室冷却设计参数
- 蒸汽室与热管
- 蒸汽室设计的类型
- 蒸汽室使用指南
- 蒸汽室热导率和性能
- 蒸汽室散热器集成
- 蒸气室的尺寸设计限制
蒸汽室冷却 | 设计参数
使用均热板冷却电子设备需遵守以下准则：功率处理能力
蒸汽室可以具有与多个热管相同的功率处理能力；从几瓦到一千瓦以上。但是，如果一根热管可以满足热和物理要求，那么使用它们可能会更便宜——这取决于机械加工等后期生产操作。这就是为什么从热管转向蒸汽室通常涉及具有更高功率和/或更高功率密度的应用。少一点，热管就足够了。功率密度容量
蒸汽室特别适用于功率密度高的电子冷却应用——大约高于 20 W/cm 2但低于 500 W/cm 2。在这些情况下，将热量快速传播到更大的表面积通常是至关重要的。形状和尺寸
生产均热板的传统方法从两个相互镜像的冲压板开始，最终将它们扩散粘合在一起。这为设计师在 X 和 Y 维度上提供了巨大的回旋余地。长度和宽度最大尺寸由压力机和炉子尺寸以及应用要求决定。因此，您通常不会发现超过 300 x 400 毫米左右的均热板。
传统蒸气室 | 1 件式可弯曲蒸汽室
一些制造商也有能力生产以非常大的铜管（直径 25-70 毫米）开始的均热板，该铜管经过烧结、压平并添加了内部支撑结构。我们称这些为一体式蒸汽室。主要优点是成本和成型为 L 和 U 配置的能力。缺点是它们只能制成矩形。由于这些产品的制造能力，尺寸限制通常在 100 毫米宽到 300 毫米长的范围内。
两种类型的均热板，特别是采用烧结灯芯结构设计时，厚度在 2.5-4 毫米之间，具体取决于移动或传播的功率。
弯曲
由两块冲压板制成的两件式均热板通常不会在冲压后弯曲。任何小的“台阶”或弯曲都是冲压过程的一部分。然而，以管状开始的一体式均热板在工厂进行后期制作。虽然带半径根据蒸汽室的宽度、厚度和弯曲位置而有所变化，但典型的弯曲半径对于较小的蒸汽室约为 7 毫米，而对于较大的蒸汽室则约为 12 毫米。有关更多信息，请参阅本文的最后一部分：均热板尺寸设计限制。
表面平整度
蒸汽室表面平整度尤为重要，因为与热管不同，它们的设计目的是与热源直接接触。部件接触区域的平面度被控制到标称平面度为 0.002”/1”，但后加工虽然增加了成本，但可以将其降至 0.001”/1”。这通常仅在与具有相似平坦度的更高功率密度组件配合时才需要，以实现非常薄的粘合线厚度和低界面电阻。
耐热负荷
如果不进行修改，蒸汽室可以承受 110 o C 左右的变形。对于铜水蒸汽室要处理更高的温度，需要增加壁厚，添加额外的内部支撑结构，和/或外骨骼（金属板）用于蒸汽室的一侧（另一侧由散热器底座支撑）。相比之下，热管本身具有更强的几何形状，可以承受高达 200 o C的温度。
夹紧压力
蒸汽室是中空的，需要内部支撑来承受夹紧压力。标准设计在变形之前使用支持高达 60psi 的压力。但是，它们可以进行更改以支持高达 90psi 的压力。
表面处理
所有铜部件都经过钝化处理，以防止短期变色。出于腐蚀保护或美观的原因，镀镍是用于热管和蒸汽室的最常见涂层。
蒸汽室与热管
与热管相比，蒸汽室具有一些性能和设计优势。首先，它们比基于固体金属或热管的解决方案更恒温。这允许整个模具表面的温度更均匀（减少热点）以及蒸汽室的整个表面的温度更均匀（较低的 delta-T）。
蒸汽室与热管的优势
其次，使用均热板的散热器允许热源和设备之间直接接触，从而降低界面热阻。热管解决方案通常需要额外的基板和 TIM 层。
第三，高度受限的热解决方案通常受益于均热板，因为它们 a) 使翅片叠层连接到的底座更薄和/或 b) 允许更大的翅片面积，因为热管通常穿过翅片叠层的中心。
蒸汽室的类型
虽然每个人都熟悉由两块冲压金属（两件式设计）制成的传统蒸汽室，但还有另一种生产这些设备的方法，它提供了一些独特的优势。
对于矩形以外的形状，需要一个 2 件式均热板，因为冲压板可以沿 XY 平面创建为几乎任何形状。此外，如果热源凹陷，它们能够具有更高的压纹。不幸的是，它们的成本比单件略高，并且不能在后期制作中弯曲
少数制造商现在正在生产单件式均热板——之所以如此命名，是因为它最初是一根非常大的单根铜管，该铜管是扁平的，并为了结构目的插入了一个波纹垫片。虽然它的形状仅限于矩形，但它可以在 Z 方向弯曲形成台阶、L 形或 U 形。
蒸汽室使用指南
当散热器设计传导受限时使用均热板，这里有一些简单的规则，然后是一些在线计算器的链接，这将有助于确定均热板是否是一个好的解决方案。这里有一些简单的经验法则要记住
热预算紧张时使用均热板
热预算就是最终产品运行时的最高环境温度减去组件 T case的最高温度。对于许多户外或坚固的应用，热预算可能远低于 40 o C。
Delta-T 之和必须低于热预算
这意味着所有单个 delta-T 的总和（从 TIM 到 Air）必须低于计算的热预算。对于此类的典型应用，我们通常需要散热器底座的 delta-T 为 10 o C 或更小。请访问我们的在线计算器，查看您的应用在散热器 delta-T 方面的差异。
使用 Celsia 的在线散热器计算器来帮助确定是否应使用均热板代替铝或铜底座。
- 估计所需的散热器尺寸：这个计算器可以快速估计散热器的总体积，让您大致了解其所需的尺寸。请参阅使用说明和在线计算器。
- 将均热板底座与实心金属进行比较：此计算器显示散热器组件中的每个 delta-T，并将带有均热板底座的散热器与带有实心铝或铜底座的散热器进行比较。请参阅使用说明和在线计算器。
当蒸汽室与蒸发器面积之比 >10:1 时
与热管一样，均热板的热导率随着长度的增加而增加。这意味着与热源尺寸相同的均热板与实心铜片相比几乎没有优势。一个好的经验法则是蒸汽室的面积应该等于或大于热源面积的 10 倍。在热预算较大或大量气流驱动小型散热片堆叠的情况下，这可能不是问题。然而，通常情况下，水槽的底部需要比热源大得多。
随着该比率的降低，实心铜成为一种选择
当主要目标是散热时使用蒸汽室
虽然蒸汽室有时可用于将热量转移到远程散热器，但我们最常看到蒸汽室用于将热量传播到本地散热器。热管非常适合将热源连接到远程翅片堆栈，特别是因为这通常涉及一系列曲折。
蒸汽室传热 | 热管移动热量
蒸汽室热导率和性能
在查看热管和均热板的有效热导率时，似乎均热板的热阻低于热管。事实上，他们确实如此。这是由于蒸汽室与典型的热管相比具有相当大的横截面积。平均 6mm 热管的横截面为 28mm 2，而即使是 3mm x 40mm 的小均热板，其横截面也为 120mm 2 (dT = QL/(kA)。
如果传输相同的功率，则有效热导率按横截面的比率下降。需要记住的关键点是，尽管 VC 的有效电导率较低，但它们具有性能优势，例如更高的总容量、更好的抗重力操作、直接接触热源以及较低的 delta-ts。
蒸汽室散热器集成
蒸汽室可以连接到任何类型的散热器（挤压、车削等），但大多数情况下它们与拉链翅片配对，也称为翅片组或机加工散热器。有两个原因。首先，这两款散热器的散热性能都非常好；拉链翅片由于能够具有非常薄、紧密间隔的翅片，并且由于几乎无限的几何设计选项而进行了机加工。有时我们会看到它们成功地与极端环境中使用的带有集成散热片的压铸外壳配对。
左起：拉链翅片散热器、机加工散热器、压铸散热器
无论散热器类型如何，均热板必须连接到底座/散热片。它们被焊接（最常见）或环氧树脂连接到翅片叠层的底部，前者具有更好的导热性。用于这些组件的焊料的导热系数约为 20 至 50 W/mK，而环氧树脂的导热系数约为焊料导热系数的 1/10 ，这使得它们仅适用于 <10 W/cm 2的低功率密度应用。
焊料导热率和熔体温度
焊接通常在高于蒸汽室最高温度的温度下进行，因此在设计焊接夹具时必须特别小心。这些夹具必须能够承受焊接过程中均热板产生的内部压力，以防止均热板变形。下面的压力图表显示了内部蒸汽室压力与温度的关系。
蒸汽室温度与。内部压力
焊接夹具（如下图紫色所示）的设计符合散热器组件的设计，防止其在焊接过程中变形。上部和下部被夹紧或螺栓连接在一起，以防止蒸汽室膨胀。
焊锡夹具（紫色）
Celsia 蒸汽室尺寸设计限制
下表列出了 1 件式均热板的规格和公差。因为这些蒸汽室最初是一个非常大的管子，所以首先列出了直径，然后是各种厚度的宽度以及公差。没有为 2 件式均热板提供表格，因为它们可以采用多种配置，尽管适用类似的公差。关于 Celsia 的 2 件式功能，300 x 300 毫米是可能的最大外形尺寸，而大约 75 x 150 毫米的尺寸是最常见的。
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