 Applied Physics 应用物理, 2011, 1, 20-26 http://dx.doi.org/10.12677/app.2011.11003 Published Online April 2011 (http://www.hanspub.org/journal/app/) Copyright © 2011 Hanspub APP Applied Vapor Chambers on Non-Uniform Thermo Physical Conditions Jung-Chang Wang Department of Marine Engineering, National Taiwan Ocean University, Keelung, Taiwan Email: jcwang@mail.ntou.edu.tw Received: Mar. 14th, 2011; revised: Mar. 20th, 2011; accepted: Mar. 21th, 2011. Abstract: A vapor chamber is a two-phase heat transfer components with a function of spreading and transferring uniformly heat capacity so that it is ideal for use in non-uniform heating conditions. This article mainly researches in vapor chamber application on non-uniform heating electronic components, such as CPU, GPU, and LED, with its ability to spread and heat transfer. Firstly, the calculation program developed in this paper named as VCEK_ML V1 and BaseResistance_ML employ to estimating the ability for spread- ing and transferring heat amount of vapor chamber. Then the Windows software VCTM V1.0 with the thermal-performance experiment analyzes the thermal phenomena of the Vapor Chamber module in the thermo physical conditions of non-uniform heat source, and finally, a thermal imager can be employed and proved the heat spreading capability of vapor chamber through the temperature distributions. The results showed that, a vapor chamber module can effectively improve the thermo physical conditions of non-uni- form heat distribution phenomenon, which is better than pure copper and pure aluminum plates. Keywords: Vapor Chamber; Non-Uniform Heater; VCTM V1.0; Heat Distribution; Thermal Imager 应用均温板于非均匀热物理条件 王荣昌 国立台湾海洋大学，轮机工程学系，台湾 Email: jcwang@mail.ntou.edu.tw 收稿日期：2011年3月14 日；修回日期：2011 年3月20日；录用日期：2011 年3月21 日 摘 要：均温板(Vapor Chamber)为一两相流热传组件，具有将热量均匀扩散传递的功能，非常适合应 用在不均匀发热的热源条件上。本文主要即是探讨均温板应用于非均匀发热的电子组件，如CPU、GPU 及LED 等，其扩散传递热量的能力。首先利用本文所开发的计算程序 VCEK_ML V1 及 BaseResistance _ML，先行估算均温板的扩散传递热量的能力，再使用窗口软件 VCTM V1.0配合热性 能实验，分析整个均温板模块在非 均匀热 源物理 条件的 热流现 象，最 后可藉 由热显 像仪的 温度分 布 结 果验证均温板扩散热量的传递能力 。结果 显示， 均温板 模块可 有效改 善非均 匀热物 理条件 的热分 布 现 象，比纯铜及纯铝板佳。 关键词：均温板；非均匀热源；VCTM1.0；热分布；热显像仪 1. 前言 均温板(Vapor Chamber)为一两相流(Two-Phase Heat Flow)热传组件，具有高热传递效率，目前已经广 泛应用在高热通量(Heat Flux)的电子发热源上，尤其 是非均匀温度分布的热物理条件。本文所使用的均温 板是一平板结构，可将多个点热源之热流于短距离内 将其均匀分布于较大散热面积之功能，且随着热源之 热通量不同，均温板之等效热传导系数亦随之不同。 均温板的原型设计可追朔于 1998 年，由 Zuo and Dussinger[1] 所提出的 HPVCCP(Heat Pipe Vapor Chamber Cold Plates)之散热模块概念，可有效解决非 均匀的热点(Hot Spot)问题。如图 1所示，均温板是  王荣昌 | 应用均温板于非均匀热物理条件 21 Figure 1. Operating Principle of vapor chamber 图1. Va por chamber的工作原理示意图 一个内壁面具有微结构的封闭真空腔体，当热流由热 源传导至蒸发区时，腔体里面的工作流体会因真空条 件下，于特定温度开始产生液相汽化的现象，此时工 作流体吸收热能并且迅速蒸发，且汽相的蒸气将充满 整个腔体，当蒸气接触到一个比较冷的区域时便会产 生凝结的现象，藉由凝结的现象释放出在蒸发时累积 的热流，凝结后的液相工作流体会藉由微结构的毛细 现象再回到蒸发热源处，此运作将在腔体内周而复始 进行，这就是均温板的运作方式。且由于工作流体在 蒸发时藉由微结构产生毛细力，所以均温板的运作受 重力的影响很小。Lin, et al[2]在2004 年，针对均温板 之毛细结构以化学蚀刻、机械加工、粉末烧结三种材 料进行实验，探讨三种毛细微结构与重力影响间的关 系，实验结果得知粉末烧结可产生最大的毛细压力。 均温板具有安静且稳定可长时间操作等特性，另外体 积小、重量轻、可用性高及成本低等优势使得两相流 热传组件成为目前 3C 电子产品上广泛使用的热传递 方式之一。Sauciuc, et al[3]针对均温板进行传热性能研 究，结果显示，当腔体的绝热段与冷凝段之间的距离 超过一定数值时，均温板的扩散热阻将小于同等厚度 之金属板，且均温板热阻主要来自于毛细结构。Hsieh, et al[4]应用热通量为 220 W/cm2的热源于均温板散热 模块的实验，发现均温板整体热阻值只有 0.2℃/W 。 Xuan, et al[5]针对铜板与均温板进行实验，量测其中心 点的温度与边缘温度，结果发现均温板之中心温度与 边缘温度相差1℃，而铜板则差 6℃，显示均温板之均 温性较铜板优。Wang[6]比较各式热管及均温板散热模 块于高阶显示卡之热性能实验，结果显示均温板散热 模块具有最佳的热传性能，最大散热功率可达 90 W/cm2以上。Chiang[7]针对均温板之工作流体填充率 做实验，结果发现在 140 W 加热功率下，填充率30% 的性能最为优越，其热阻值仅0.1℃/W 。 近年来，高功率亮度的固态半导体组件的发光二 极管(LED)，已开始应用于内部和室外照明灯上。然 而，多颗的高热流密度的 LED 即是一非常不均匀的 热物理条件的热源，若将其安装在普通印刷电路板材 料(FR-4)上，所呈献的热点现象的问题就变得非常严 重，这是一个使 LED 照明灯具出现故障或缩短寿命 的重要原因之一[8]。目前已经有数种取代FR-4 的 LED 散热基板，具有良好的热特性[9]。散热基板的材 料性质影响者可否将 LED 快速且均匀的传递到外部 的散热模块上，热导率可作为判断的依据。以常用的 纯铜及纯铝金属的热传导系数而言，在工作温度 27 ℃时分别为 401 W/mk及237 W/mk，当操作温度为 127℃，变化为393 W/mk及240 W/mk[10]。所以当操 作温度变化不大时，纯铜及纯铝金属的热传导系数可 视为恒定值。Wang, et al[11]已成功将均温板应用于 30 Watt 高功率多颗的 LED 照明上，可有效减少多颗 LED 热点的现象，均温板的等效热传导系数达 870 W/mk 以上，为纯铜的两倍以上。本文内容描述利用 均温板于各种不同的非均匀热物理条件的发热源，如 CPU、GPU 及LEDs，并利用热显像仪及窗口软件 VCTM 1.0[11]估计均温板的等效导热系数，最后并与 热性能实验比较以分析整体模块的热性能。 2. 内容 2.1 均温板的等效热传递系数 均温板主要可分为蒸发区、绝热区及冷凝区，为 一真空封闭的被动组件。微均温板的上下盖板(Base) 是以两片热传导系数高的无氧铜(C1100)为上、下面 做成一个封闭腔体(Chamber)，腔体内部为线径 50μm 铜线所制成的毛细结构(Wick)及充填水的工作流体 (Working Fluid)。一般金属材质的热传导系数皆无方 向性，即热传导系数并不会随着方向而改变，而热传 导系数将与温度差成反比，且与热阻值亦成反比；但 Copyright © 2011 Hanspub APP  王荣昌 | 应用均温板于非均匀热物理条件 22 对于均温板而言，其构造及工作原理是内部工作流体 藉由液态时于毛细结构的流动与蒸发时的潜热来带走 热量，因此具有较佳的横向热传导性，因此均温板具 有非等向性的热传导系数。本研究对于均温板等效热 传导系数的估算，可利用相同尺寸以及工作条件下的 金属纯铜材料做推算，如下式(1)： eff Cu KCu Cu VC VC RT KR T in (1) 其中 Keff 为均温板之等效热传导系数、KCu 为纯铜板之 热传导系数、RVC 为均温板之热阻值、RCu 为铜板之热 阻值、△TVC 为均温板之温度差、△TCu 为铜板之温度 差。式(1)中由相同尺寸下的金属纯铜板与均温板，其 最高与最低温度点的温度差推算均温板的等效热传导 系数。对于现今电子热传的分析软件运用上，仅需将 均温板视为一个均质的固体平板，利用等效热传导系 数的概念即可方便使用者来计算与模拟分析，进而减 少运算的成本与效率的增加。 目前很多涉及流体力学之实际工程问题，可用带 入公式求解或理论分析法求解；但仍有许多问题需要 以实验方法获得解答，本研究利用Buckingham Pi (π) Theorem 中的因次分析方法，透过[M,L,T]或[F,L,T]系 统等基本因次推导出均温板之等效热传导系数经验式 [11]。本定理为对于某种物理现象或方程式，如果存在 有m个互为函数的变量，其变量中有 r个独立物理量， 可从所有相关 m个变量中选择所谓的 r个重复变量， 利用因次分析方法将 m个变量组合成(m − r) = i 个无 因次 π参数，跟r用不同的次方相乘以结合成共 i个π 参数，最后决定各相关变量的次方，使每一个 π项皆 成为无因次的参数群，函数关系的复杂性亦随着 π项 数目的增加而增加，而选择不同之重复变量组合则可 达不同之结果，但经实验所得之结果必相同，因此无 单一 π项之组合，且 π项数目必相同。 本研究之因次分析步骤参考文献[11] ，首先决定 的相关变量有均温板的等效热传导系数 Keff、均温板 壁面材质的热传导系数 Kb、热源输入之热通量 q , ,, f f tAk 、 工作流体之潜热hfg、均温板之厚度 tvc、均温板之面积 Avc、工作流体之热传导系数Kf、工作流体之黏度 μf 及工作流体之密度ρf等九个变量，其中有四个独立物 理量为质量(M)、长度(L)、时间(T)与温度(θ)，可写成 公式(2)： Function,,, , effbinfg vcvc Kkqh f (2) (a) Single (b) Multiple (a)单点热源 (b)多点热源 Figure 2. Diagram of non-uniform heat soruce 图2. 非均匀热源示意图 以[M, L, T, θ]系统将每个变量以基本因次表示，结果 为Keff = (MLT − 3θ)、Kb = (MLT− 3θ)、q= (M T− 3)、hfg = (L2T2)、tvc = (L)、Avc = (L2)、Kf = (MLT − 3θ)、μf = (MT-1L−1)及ρf = (ML− 3)。决 定5个无因次 π数，并选 择4个重复变量，本研究选择 Kb、q、hfg 及tvc 等四 个最具代表性因次之变数，将此4个重复变量以指数 形式与其它非重复变量相乘得组成无因次 π项。结果 为π1 = (MLT− 3θ)．(MLT− 3θ)a ．(M T− 3)b ．(L2T2)c ．(L)d， 当M 、 L 、 T 、 θ皆为 0时，解联立方程式求得 a = − 1、 in in b = 0、c = 0、d = 0，将 a 、 b 、 c 、 d带回 π1，可得 1 πeff b K K 。 同理 22 πvc vc A t 、3 f b π K K 、4 π f fg in vc h qt 及 6 vc 51.5 πf in fg t qh 。 检查上述π项皆为无因次参数。将此 5个π项表示为 函数关系，如下式(3)所示： 6 21.5 effff fgf vc bbin vcin fg KKht A KKqt tqh (3) 经由热性能实验可求得α 、 β 、 γ 、 λ 、 τ等数，经整理 后可得确实之函数关系式。 2.2. 非均匀热源 图2所示为本文研究之非均匀热源的热点问题 示意图，分为图 2(a)的单点热源及图2(b )的多点热源 两部份作非均匀热物理条件的探讨。热源放置于散热 基板的下底板表面，底板的尺寸为 8公分正方，厚度 t为分析参数。散热基板的材质为纯铝、纯铜及铜质 均温板三种。热源尺寸为L mm × L mm，L为分析参数。 Copyright © 2011 Hanspub APP  王荣昌 | 应用均温板于非均匀热物理条件 Copyright © 2011 Hanspub APP 23 Figure 3. (a) VCEK_ML V1 (b) BaseResistance_ML 图3. (a) VCEK_ML V1 (b) BaseResistance_ML Table 1. Uniform-temperature performance of based plate 表1. 散热基板的均温性 Distance From Central (mm) −40 −20 0 +20 +40 upper 6.8 6.9 7.1 6.8 6.7 Vapor Chamber(℃) lower 6.8 6.9 7.2 6.9 6.7 upper 8.2 8.4 8.7 8.4 8.3 1 Watt Cooper(℃) lower 8.3 8.5 9 8.4 8.3 upper 17.5 17.8 19 17.6 17.5 Vapor Chamber(℃) lower 17.7 17.9 20 17.8 17.6 upper 21.2 21.4 22.3 21.4 21.0 3 Watt Cooper(℃) lower 21.2 21.4 23.8 21.6 21.2 upper 26.3 26.7 27.8 26.6 26.3 Vapor Chamber(℃) lower 26.6 27 30.8 26.9 26.5 upper 31.9 32.4 34.1 32.5 31.9 5 Watt Cooper(℃) lower 32.1 32.1 35.8 32.9 32.2 conv R i R sp R m R vcalcu R 、、 Figure 4. Experimental equipments 图4. 实验设备仪器示意图 定义 9个多点热源的长度无因次参数 S为W除以 L， S可为分析参数。热源的输入功率为 1 Watt。边界条 件为环境温度35℃，自然对流及辐射热传的状况。 本文根据式(4)的热传统御方程式及热阻相关理 论，利用 VB6.0 的程序语言软件，撰写两个可以计算 均温板的等效热传导系数及热性能的小程式 VCEK_ML V1 及BaseResistance_ML，如图 3所示。 ep TTT T kkkHc xyyzz t x (4) 其中 xyz 为三为直角坐标、k为散热基板之热传导系 数、T为温度、t为时间、He为散热基板接收到热源 传导的热量、ρ为密度及cp为定压比热。 2.3. 热性能实验 本实验使用之模拟热源为功率电阻，功率电阻可 将电力能量直接转换成热流，并且可于底部挖设沟 槽，利于热电偶之黏接测温。采用由铜、镍两金属合 金材料为测温导线的 T型热电偶量测实验所需要的 温度值，其量测温度的最大范围为负 200℃到正 350  王荣昌 | 应用均温板于非均匀热物理条件 Copyright © 2011 Hanspub APP 24 (a) Thickness of 3.85 mm (b) Thickness of 3.00 mm (a) 厚度为 3.85 mm (b) 厚度为 3.00 mm Figure 5. Effective thermal conductivity of vapor chamber 图5. 微均温板的等效热传导系数 (a) 理论热阻值 R b,T (b) 实验热阻值 R b,E (a) Theoretical R b,T (b) Experimental R b,E Figure 6. Thermal resistances of Copper, Alumimum and vapor chamber 图6. 铜、铝与均温板之热阻值 ℃，误差为 0.5℃。为了测试均温板之均温性，以压 克力板为功率电阻及均温板之夹具，四周锁上螺丝固 定分别于均温板正反面距离中心0 cm、±2 cm、±4 cm 为测温点，包含环境温度共11 点输入功率为 1 W、2 W、3 W、4 W、5 W、6 W量测其稳态之温度分布。 实验中所使用的数字式数据记录器 GL800共有30 组 频道，量测并记录 11 点位置的温度达到稳态，将稳态 后的温度值带入 LED 散热基板热阻公式[12]以计算实 验散热基板的热阻值 。其中T为下表面中心温度、 ,bE R5 , M U T为上表面平均温度及 Q为输入功率。使用数据记 录器每组实验历时约1～2小时，观察其中温度与照 度曲线呈现水平时表示趋近稳态，可停止记录，将测 量所得温度等数据，经传输至个人计算机后，再由专 用分析软件(DAQEXPLORER)，转存成 Excel 的档案 加以分析，如图 4所示。 当两物体在理想状态下接触，两物紧密贴合，在 热传导下可视为无阻碍，则两物体的温度相同；但实 际上物体两接触平面间必有微小缝隙与不规则之凹 凸面，使其空隙中填充空气。气体之热传导系数相当 低，因此两物体间则会有温度突降的情况发生，此接  王荣昌 | 应用均温板于非均匀热物理条件 Copyright © 2011 Hanspub APP 25 (a) Relationship between mean temperature and time for Alumimum and vapor chamber[11] (a) 铝与均温板之平均温度与时间[11] (b) Copper and vapor chamber (b) 纯铜板与均温板之温度分布 Figure 7. Temperature disturbutions of Copper, Alumimum and vapor chamber using thermal imager 图7. 铝、铜与均温板之热显像仪下温度分布 面处之热阻称之为界面热阻。由两材料的界面能量平 衡可得下式(5)： 1 AB c TT h i AB ic TT Q qAR (5) 上式中 TA与TB为两材料的表面温度，Rc为界面热阻值 (Thermal Contact Ressitance)， A 为两界面间的接触面 积，hc称为热接口接触导率系数(Thermal Contact Con- ductance)。在许多应用上这个系数相当重要，因许多热 传递状况会涉及两种材料的机械组合。影响界面热阻大 小的因素主要有表面的粗糙度、材质的热力学性质、接 触压力的大小、填补间隙的材料性质。 3. 结果与讨论 表1所示为加热功率 1 W、3 W 及5 W 时，均温 板及纯铜板的上、下底板在距离中心点位置0 cm、±2 cm 及±4 cm的温度扣掉环境温度后的温度差分布， 可代表散热基板温度分布的均匀性。当同一个散热基 板下底板的最高与最低温度差越大，即表示此散热基 板横向平面上(x-y平面)有温度过于集中的趋势，此 时若上底板的最高与最低温度差也越大，其均温性是 越差的。而当上、下底板在同一个位置的温度差很大 时，表示此基板纵向平面上(z平面)的热传递性能不 佳，及热传导系数较差。本研究的界面热阻范围约为 0.5～0.7℃/W，由表中可知受到扩散热阻之影响，热 源功率的增加导致均温板的温度差增加；但整体而 言，均温板的均温性较纯铜板佳，尤其在加热功率到 5 Watt时，均温板的横向及纵向平面的温差明显皆小 于纯铜板。 利用本文的因次分析配合热阻性能实验方法可 以求得式(3)中,,,, 2.80.170.15 0.42 238.6( )( )() () efff ff in KKq 0.15 0.240.28 46.1 effvcvcvcin kLWtq b R,bT R 的常数，并将已知的实验数 据代入，最后可推导出均温板的等效热传导系数公 式，如下式(6)所示。图 5为利用式(6)、VCEK_ML V1、 BaseResistance_ML 及文献 11的公式 (7)，探讨不同尺 寸的微均温板及热源热通量下的等效热传导系数的 关系。图 5(a)为在均温板厚度 3.85 mm时，从面积 40 mm × 40 mm 到100 mm × 100 mm 时，等效热传导 系数对应热源热通量的关系图。由图中可知，均温板 面积越大，等效热传导系数越高，最高值可达910 W/mk。但在面积 40 × 40 及50 × 50 的均温板，当其 热源热通量小于10 W/cm2时，其等效热传导系数比 纯铜还差。图 5(b)为在均温板厚度 3.00 mm 时，从面 积40 mm × 40 mm到100 mm × 100 mm时，等效热 传导系数对应热源热通量的关系图。由图中可知，均 温板面积越大，等效热传导系数越高，最高值可达 880 W/mk。但在面积 40 × 40、50 × 50及60 × 60的 微均温板，当其热源热通量小于10 W/cm2时，其等 效热传导系数比纯铜还差。且比较图 5(a)及图 5(b) 可知，在相同的真空腔体空间下，微均温板的整体厚 度越大，则其等效热传导系数越小，这是因为在相同 的腔体体积下，微均温板整体厚度越大，表示其壁厚 也将越厚，其造成的热阻也越大，所以微均温板所表 现出来的热性能当然越差。 (6) (7) 图6为LED 铜、铝与均温板之理论与实验的热 阻值 ，其中理论散热基板热阻值 可由文献[12]  王荣昌 | 应用均温板于非均匀热物理条件 right © Hanspub APP 26 ,bE R,bT R ,bE R,bT R Copy2011 中之公式计算得到。由图6可知，在加热功率小或等 于4 Watt的情况下，基板热阻值 及 由低至高 顺序为铜基板、均温基板、铝基板，以 LED 铜基板的 热性能最佳；但在加热功率 5 Watt以上，基板热阻值 及的热性能优劣顺序则是均温基板、铜基板、 铝基板， 以LED 均温基板的热阻值 最小。这是因为 铜与铝基板的热传导系数受到温度变化之影响不大，所 以当加热功率由 1 Watt 逐渐上升至 6 Watt 时，由图 6(b) 知，其实验热阻值分别约为0.41℃/W及0.64℃/W， 由图 6(a)知，其理论热阻值分别为 0.40℃/W 及0.66 ℃/W，误差在3％以内，可视为一定值。而均温基板则 明显受到 LED 加热功率上升之影响，故其热传导系数 明显上升，因此基板热阻值 迅速下降。 b R ,bE R ,bT R R 最佳热性能之外，其均温性为三种基板中最高。以均 温板做为 LED 散热基板的 热性能在中低加热功率 （含 4 Watt以下）时，较LED纯铜基板差。只要加 热功率大或等于 5 Watt以上，LED 均温板具有最低 热阻值，意即可当为最佳的 LED散热基板，相关的 实验、理论及模拟热阻值的误差在±5%之内。最后， 可利用本文的结果可以在数秒内确认均温板散热模 块的热性能，且本文所提出的均温板可以有效的解决 非均匀热物理条件的热源热点问题。 5. 感谢 b ,bT Rtan t bbc Kh( ) 1anh( ) bS bbbcb b bbS AA ARt π t bS AKARt KAA 本文部分内容已于“2008两岸机电暨产学合作 学术研讨会”及“第17届全国计算流体力学研讨会 2010”中报告，作者特别感谢大会。 K (8) 参考文献 (References) 图7为文献[11]中0～60秒铝及均温板热性能的 比较图及铝及均温板的均温性，其中平均温度是由福 禄克红外线显像仪在背板的表面作量侧。图 7(a)中可 知，均温板的平均温度曲线斜率小于纯铝板。当总功 率为 30 Watt时，均温板的平均温度在 60 秒时为 77 ℃；相反地，在40 秒时，纯铝板的平均温度就已经超 过80℃。这意思是，若以纯铝板当作 LED 的散热基 板，30 瓦LED 产生的光能量在是 40 秒后就衰减。此 外，在输入功率为20 W和30 W时，均温板及纯铝板 的平均温度差在30 秒之后就约有 12℃之多。当总功 率为 20 W 时，纯铝板的平均温度在60 秒时为 83℃。 原因可由图 7(b)纯铜板与均温板的热显像仪的温度分 布图得知，均温板的热点现象明显小于纯铜及纯铝板。 从图 7(b)知，在相同的条件下，加热 60 秒后，均温板 的热性能明显优于纯铜板。 [1] Z. J. Zuo, P. M. Dussinger. Heat pipe vapor chamber cold plate modeling, fabrication and testing. ASME HEAT TRANSFER DIV PUBL HTD, 1998, 361(3): 281-286. [2] J. C. Lin, J. C. Wu, C. T. Yen, et al. Fabrication and perform- ance analysis of metallic micro heat spreader for CPU. Shang- hai: 13th International Heat Pipe Conference (13th IHPC), 2004. [3] I. Sauciuc, G. Chrysler, R. Mahajan, et al. Spreading in the heat sink base: phase change systems or solid metals? IEEE Trans- actions on components and packaging technologies, 2002, 25(4): 621-628. [4] S. S. Hsieh, R. Y. Lee, J. C. Shyu, et al. Thermal performance of flat vapor chamber heat spreader. Energy Conversion and Management, 2008, 49(6): 1774-1784. [5] Y. Xuan, Y. Hong and Q. Li. Investigation on transient behav- iors of flat plate heat pipes. Experimental Thermal and Fluid Science, 2004, 28(2-3): 249-255. [6] J. -C. Wang. Development of vapour chamber-based VGA thermal module. 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