聚焦科研 | 浅谈极端条件下的高性能超薄均热板研究与开发

发布时间：

2023-10-10

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科研负责人介绍

薛亚辉

南方科技大学力学与航空航天工程系副教授、博士生导师、国家级人才计划青年项目获得者

于2009年和2015年毕业于北京大学工学院力学与工程科学系，分别获得理论与应用力学专业的学士学位和固体力学专业的博士学位。2011年至2013年作为访问学者在德国盖斯特赫特亥姆霍兹研究中心材料研究所交流学习。2016年至2021年在美国加州大学伯克利分校进行博士后研究工作。2021年6月至今在南方科技大学力学与航空航天工程系任助理教授，副教授。

主要研究方向包括：微纳米力学、水下超疏水及流动减阻、纳米多孔介质毛细输运、原子尺度人工离子通道、声学-力学超材料等。致力于揭示液体在微纳米结构界面的多尺度力学行为和机理，利用新材料和新方法，解决微纳米结构的浸润稳定性、纳米尺度以及原子尺度液体和离子传输的可控性等方面的关键科学问题，探索在能源、环境工程、医学等领域中的重要应用。

截止到目前，在Science、Nat. commun.、Prl、PNAS、Appl. Mech. Rev.、Proc. R. Soc. A等杂志发表sci论文二十多篇，其中包括Science等第一作者论文一篇。在力学权威综述期刊Applied Mechanics Reviews发表综述论文一篇，荣获美国机械工程师协会两年一度的The Lloyd Hamilton Donnell Applied Mechanics Reviews Paper Award（国内首篇）等荣誉。

一代通信技术，一代热管理方案

在通信技术的飞速发展的时代背景下，便携设备向智能化、轻薄化、便携化、多功能化、高性能等方向发展，因此，我们迎来了第五代通讯技术（以下简称“5G”）。为实现人-机-物的高效网络互联，5G对通信基站的建设、移动设备散热性能及相控雷达稳定性等方面提出了新的要求。

基站是5G通讯技术的核心设备，是实现有线通信网络与无线终端之间无线信号传输的关键。一方面，高频性能以及传输速度的提高使5G基站的功耗逐渐增加；另一方面，无线信号频率越高，衰减也就越快，因此需要布置更高密度的5G基站。所以，轻便、易于安装的微型基站成为助力5G信号大面积覆盖、解决5G信号衰减快这一挑战的有效手段。5G基站功耗增加的主要来源是有源天线单元（AAU），它集成了基站的射频部分、天线、滤波器和功放部分（如图1所示），其中功放部分通常采用第三代半导体氮化镓技术。氮化镓半导体材料的优势在于可以在同样甚至更高的功率条件下极大地缩小器件的尺寸，然而由此带来的高热流密度散热问题，为5G微型基站的热管理带来了极大的挑战。目前，国内外各大企业和研究机构纷纷布局，致力于解决5G微型基站在狭小空间下的高热流密度散热难题。

图1. 5G基站示意图

5G智能手机作为智能终端产品的桥梁，需求与销量均在快速增长。随着5G智能手机朝着智能化、轻薄化及可折叠化方向发展，其高热流密度散热是个亟待解决的问题。5G智能手机的发热单元主要为：应用处理器（AP）、电源管理集成电路（PMIC）、手机主板和5G天线。由于发热单元较多，5G手机的功耗将高达10W，是2G手机的5.4倍。石墨片和热管的散热方案已经不适合5G智能手机，而导热率更高的超薄、柔性均热板解决方案将成为5G智能手机热管理的主流解决方案，同时在可穿戴电子设备、柔性显示屏等领域亦具有广阔的应用前景（图2）。目前业内量产的5G智能手机使用的超薄均热板最小厚度仅为0.22mm，为了进一步突破超薄均热板的厚度极限，北京大学南昌创新研究院（以下简称“北大南昌院”）精密增材制造技术联合实验室利用当前先进的3D打印技术工艺，正积极研发厚度仅为0.2mm的超薄均热板及柔性均热板，致力于推广其在5G智能手机及可折叠屏手机上高热流密度散热上的应用。

图2. 超薄柔性均热板应用产品

相控阵天线是相控阵雷达的核心部件，天线阵面均匀排列的收/发（T/R）组件是热耗最集中的部件，约占系统的90%。图3展示了某型机载相控阵天线阵面示意图，阵面上排列了数百个T/R组件。随着相控阵天线不断向高密度、小型化、集成化的方向发展，芯片集成数量以及芯片热流密度不断增加，工作中的发热量也随之剧增，导致元器件温度显著升高。微通道冷却技术具有散热效率高和结构紧凑的特点，近年来得到了迅速发展，已成为高热流密度电子器件散热的重要技术手段。采用陶瓷材料通过3D打印技术制备微通道散热器，可解决芯片封装时由于温度差导致芯片脱焊、热应力集中等问题。目前业内针对陶瓷3D打印微通道散热器的研究极少，需要进一步扩展研究，在弥补该领域技术空白的同时，解决相控阵雷达天线的高热流密度散热问题。

图3. 某型机载相控阵天线阵面示意图

基于此，

传统热管和均热板管芯结构包括铜粉烧结管芯、金属丝网、槽道等结构，但这些管芯结构由于自身的种种缺陷而限制着热管和均热板传热性能的优化和提升，若采用传统技术，不仅工艺复杂，而且加工成本也相对较高。因此，为了满足5G微型基站、便携式移动设备、相控雷达等领域超高热流密度的散热需求，亟需开发新型超薄均热板大规模微纳加工技术。

共谋合作，共促发展

目前，北大南昌院与重庆摩方精密科技股份有限公司联合成立精密增材制造技术联合实验室，引进了四台世界先进的高精密光固化3D打印设备（S230和S240），为均热板精密加工提供技术支持。此外，北大南昌院作为江西省铜产业链链上企业，积极以党建共建促业务融合，与江西铜业集团有限公司（以下简称“江铜集团”）展开了深度合作，充分发挥各自强项，实现资源互补，依托江铜集团的铜板带材料优势，加速赋能超薄均热板研发与设计，推动江西省铜产业链价值链不断向高端提升。