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211、985硕士，从业16年+
从事结构设计、热设计、售前、产品设计、项目管理等工作，涉足消费电子、新能源、医疗设备、制药信息化、核工业等领域。
熟练运用Flotherm、FloEFD、XT、Icepak、Fluent等ANSYS、西门子系列CAE软件，解决问题与验证方案设计，十多年技术培训经验。
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增加热通量和减小尺寸是保持电子元件在其临界结温以下的主要挑战。
要冷却面积小的高功率设备，需要一个比组件更大的散热器。这种尺寸差异产生了一个额外的热阻，称为扩散热阻，通常与散热器热阻在相同的数量级。
在非常高性能的散热器和小热源尺寸的扩散阻力组合中，例如10 x 10或15 x 15 mm。有很多方法可以减少这种增加的阻力。
一是使用一种高导电性的材料，如铜。它比铝有更小的扩散阻力，尽管它更重，更昂贵。
其他降低扩散阻力的方法包括使用热管、液体冷却、蒸汽室、微型TECs（热电冷却器）等。
蒸汽室（VC）基本上是一个扁平的热管，可以作为散热器底部的一部分。
内部是真空条件下，然后注入足够的液体，比如水。蒸汽室的操作原理与热管相同。
热源会使蒸发器一侧的液体蒸发。由此产生的压力增加迫使蒸汽进入冷凝器一侧，与VC接触的散热器的底部。
在这里，蒸汽把热量传递到散热器中，然后再冷凝成液体，液体通过灯芯结构的毛细管作用被送回基底。
研究表明，在电子冷却应用中，烧结铜和水是该腔室材料及其内部液体的最佳选择。
水的优点是导热性高、表面张力高、无毒性。
图1显示了两个散热器的温度分布：一个是普通的固体基底，另一个基底中有一个蒸汽室。
图1.使用(a)固体底座和(b)蒸汽室底座的散热器示意图
没有VC的散热器显示温度集中在热源的顶部，其结果是热性能较低。另一方面，底部含有VC的散热器的温度分布非常均匀。
蒸汽室非常高的等效导热系数使热量均匀地扩散，使散热器的效率更高。
热管和蒸汽室的有效导热系数估计为5000-20000W/m℃。
应注意，当热管连接到散热器的底座上时，额外的界面热阻可能导致将有效导热系数降低到约4000W/m℃。
然而，优点是VC为散热器底座的一部分，减少了界面热阻。
图2给出了一个典型的蒸汽室的示意图，
图2.蒸气室示意图
蒸汽室灯芯的导热系数对其整体有效性有很大的影响。灯芯通常是由铜粉制成的。
热量必须通过灯芯结构，以使水蒸发。与铜粉相比，水的导热系数较低，会降低腔室的性能。灯芯的有效导热系数可以表示为如下图所示，
其中，
Kw：灯芯有效导热系数（W/m*℃）
Kl：水的导热系数（W/m*℃）
Ks：铜的导热系数（W/m*℃）
Rc：毛细管半径（m）
Rs：粒子球半径（m）
另一个需要考虑的变量是蒸汽空间的有效导热系数，
其中
Kv：蒸汽空间的有效导热系数
Hfg：蒸发热量
P：压强
ρ：密度
d：蒸汽空间厚度
R：每单位质量的气体常数
μ：动态粘滞系数
T：蒸汽温度
如下图3所示，当Kvapor与温度绘制曲线时，上述方程表明在低温下有效蒸汽空间传导率很低。这对低热流量或启动条件有重要影响，
图3：蒸汽空间的有效热导率随温度的变化
为了解决不同变量对蒸汽室性能的影响，我们建立了一个传导模型，如图4所示，
图4.计算流体力学的气室物理模型示意图
一个10 x 10毫米的热源被安装在一个42.5 x 42.5毫米的陶瓷芯片载体上。该模型采用Flotherm计算流体动力学（CFD）软件进行分析。
利用它们的有效热导率构建了不同层的热阻网络，如前面的方程可以计算。
蒸汽室被建模为蒸汽室壁、灯芯结构和蒸汽空间的组合。根据散热器的性能，确定有效传热系数为1400 W/m² K。
假设环境空气温度为35℃，在底部施加均匀的热流为100 W/cm²。
图5显示了结温度（Tj）作为灯芯有效导热系数的函数。假设蒸汽空间的导热系数为30,000 W/mK。
图5 结温与芯有效导热系数的关系
图中显示，当灯芯导热率分别为30和60 W/mK时，芯片结温度从97℃下降到93.5℃。换句话说，蒸汽室的性能受到灯芯的导热系数的强烈影响。
然而，图6显示，结温是蒸汽空间热导率的一个非常弱的函数。
图6.结温与蒸汽空间导热率的关系
如果蒸汽温度低于某一特定值，如35℃，则蒸汽空间的有效导热系数将急剧下降，影响结温。
图7显示了结温和外壳温度作为蒸汽室尺寸（盖）的函数，使用了比较固体散热器底座和蒸汽室的例子。
图7.蒸汽室和固体铜基的结温、外壳温度与盖尺寸的关系
该图显示，对于这种特殊的配置，固体铜块的性能优于40毫米盖尺寸以下的VC。
但是，在40毫米以上的蒸汽室是一个更好的选择。VC优于固体铜的性能是由于它增强了在较大表面上的横向热扩散。
图8显示了当传热系数为400和50,000 W/m2 K时的结温、外壳温度作为尺寸的函数。这两种传热系数的极值代表了低性能和高性能的散热器的情况。
图8.400和50000 W/m2 K传热系数下蒸汽室和固体铜基的结温、外壳温度随尺寸的关系
在低性能散热器下，铜块和蒸汽室之间的交叉点为40 mm。从这里开始，VC开始表现优于铜块。
对于非常高的传热系数，例如使用液体冷却的冷板，VC的尺寸需要很大才能比铜块有优势。换句话说，如果使用一个大的（80 x 80 mm）液体冷却板，一个固体铜块将提供与蒸汽室相同的性能。
