早在2010年，苹果公司推出了iphone 4，为了让这颗A4芯片能长期稳定运行，该公司在手机背板上覆盖了一层石墨贴纸，并且让其和芯片屏蔽罩直接接触，这样就可以将手机芯片的热量通过石墨贴纸传递至手机背板，这是手机历史上第一次搭载散热系统。三年后日本手机品牌NEC推出的最后一款手机用上了液冷散热，实际上是一根弯折的打扁热管，这可以被称为手机上使用热管散热的先行者。后来随着芯片制程工艺的提升，从28纳米工艺芯片到目前最新的3纳米工艺芯片，算力在提升的同时功耗也在增加，因此对手机散热的需求也在增加。
回想近年的手机发布会，各手机厂商对手机散热系统的说法可谓同工异趣，“超强液冷“、”循环冷泵“、“超导VC液冷散热”等，虽说法不一，但说的都是同一个散热器件—均热板，又称为VC，英文全称Vapor Chamber。
目前手机中框通常为铝合金材质，中框通过开槽将VC粘贴于槽内，如图1所示。通常手机内用于导热散热的组件有VC、铜箔、屏蔽罩、导热膏，石墨膜等材料，其他材料还包含石墨烯、金刚石片以及稀土材料等。手机主要通过以上内部导热组件将SOC热量传导至屏幕、中框以及背板，再通过外部的对流和辐射散发到空气中，其中辐射散热占主要地位。为解决SOC热点问题，通常的做法是在SOC中框处开孔，SOC屏蔽罩外涂导热硅脂并与VC接触，可快速将SOC热量传导至手机各处。可以看出VC在手机热量传导过程中至关重要。SOC通常指系统级芯片，以CPU为基础，再将其他芯片集合到一起的芯片组。
图1 某型号手机内部拆解图
热管通常被认为是一维导热，VC则被认为是在热管基础上提升至二维导热，而手机则通过内部多层堆料设计实现三维导热。如图2所示，VC主要是由以下几部分组成，外壳、毛细结构、工质、支撑柱。VC的外壳通常为铜合金或者不锈钢材质，毛细结构一般为铜网或者铜粉烧结而成的多孔结构，该多孔结构可利用毛细作用力吸收工质。VC内工质一般为超纯水，含量较少需根据不同VC定量计算。支撑柱用于支撑上下盖形成蒸汽流道。VC的工作原理为：受热部位吸收热量使得该位置液体蒸发，汽化的蒸汽在内部压差的作用下向远离热源的方向移动，后在温度较低的位置冷凝为液体，冷凝后的液体最后在毛细结构的毛细力作用下回到蒸发位置，以此往复形成稳定汽液循环。
图2 VC截面结构
超薄VC性能的主要影响因素
目前手机内VC的厚度普遍在0.35mm左右，不同尺寸及不同工艺的VC功率不一，受限于手机体积，目前手机内使用的VC功率在4-8W左右。超薄VC的性能主要受以下几个因素的影响：
VC制造环节中的一除，实际上就是抽真空，在抽真空过程中，不凝气体需要被充分排出。VC内超纯水的沸点会随真空度增加而降低，沸点降低后就可以使VC工作时在较低温度下实现水的汽化，通过水的汽化潜热带走大部分热量。如果抽真空不充分，则会严重影响液体的汽化点，导致VC功率较低或者失效。
充液率通常用来测量VC内的充液量，它是指液体流动时充液量与毛细管芯体积的比值，即充液量V0与毛细管芯孔隙体积V的比值。VC工作时最佳的状态为汽化液体量等于冷凝液体量，实现汽液循环长时间稳定运行。若充液量较少，VC在测试过程中热源位置容易发生烧干现象，导致VC失效。若充液量过多，则热源位置液体汽化时产生的气泡较难脱离，导致VC热阻较大，影响VC性能。因此在实际的工程制造中需要通过两个方法确定精准水量，一是工程经验公式计算大概的水量范围。二是通过多个样品充注不同水量进行抓样测试。
手机内VC使用的毛细结构多数为铜网，铜网在制造加工中表面有氧化层及油污，此时的铜网不具有毛细作用力，表现为疏水性。因此需要在钎焊时使用还原性气体对铜网进行还原处理。钎焊时使用的保护气为氮气和氢气混合气，氢气含量在5%-10%。有研究表明还原后的铜网在空气中极易被再次氧化，因此钎焊后的样品需要在2个小时内进行注液及一除处理，一除的同时就进行了物理封口处理。如果钎焊后不及时进行后道工序，则铜网再次氧化，在工作时铜网毛细力较弱影响VC毛细结构的回液能力，导致性能降低甚至不良。
VC中支撑柱的主要作用是支撑上下盖形成蒸汽流通的通道。需要了解的是液体蒸发为蒸汽后，体积将膨胀数倍，因此VC内部蒸汽腔的体积需要大于液体所占的体积。就工程经验而言，一般蒸汽腔的体积占VC内部总体积的三分之二。如果蒸汽腔较小，则会严重影响蒸汽的蒸发，导致VC性能不佳。
目前三纳米工艺的手机芯片已实现量产，该芯片的算力超强。但影响手机性能的并非完全是芯片性能，还取决于芯片的散热。手机内各处均覆盖有一定量的导热及散热材料，如屏幕背面都全覆盖大面积铜箔、电池与后盖之间覆盖有大面积石墨膜、SOC处均涂有导热硅脂、多数手机都标配VC均热板等。对于手机的日常使用，SOC功率调度较低，被动散热即可解决问题，但消费者对于手机更高性能的追求，促使科研人员研发设计出更高性能的均热板及散热材料。
图文|换热技术中心 陈海家
编辑|王博
