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从微泵到微型压电风扇:电子设备散热进入“毫米级主动散热”时代

08/21 16:20
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引言

随着AI算力、高速通信、影像处理、快充等功能持续进入终端设备,越来越多芯片功率器件被集中在有限空间中。与此同时,手机、AI PC、AR/VR、智能穿戴、机器人以及各类便携式智能硬件仍然在向更轻、更薄、更紧凑的方向发展。

性能不断提升,留给散热系统的空间却越来越少,这正在成为新一代电子设备设计中的典型矛盾。

传统石墨、均热板、热管和导热界面材料仍然承担着重要作用,它们能够帮助热量从局部热点向更大面积扩散。但随着局部热流密度继续提升,一些设备开始面临新的问题:仅仅把热量摊开已经不够,还需要想办法让热量更快离开热点。

这也是汉得利持续探索器件级主动热管理的原因。目前,围绕超薄和紧凑空间,汉得利已经形成微型压电液冷和超薄压电风冷两条技术路径,希望把过去需要较大结构才能实现的主动散热能力,进一步压缩到毫米级甚至亚毫米级空间。

把液冷真正做进超薄设备,首先要解决体积问题

液冷并不是一项新技术,但传统液冷系统往往需要泵体、管路和冷板,这决定了它更容易出现在服务器、高性能计算设备以及内部空间相对充裕的产品中。到了手机、穿戴设备或者其他超薄终端,液冷面临的第一个问题并不是有没有散热能力,而是整套系统能不能放进去。

汉得利微型压电液冷从这一点出发,通过压电驱动代替传统旋转泵结构,把液体循环所需要的驱动器进一步做小、做薄。压电微泵利用压电材料在电信号作用下产生周期性形变,通过泵腔容积变化推动冷却工质持续流动。目前,汉得利相关微泵厚度已经进入0.5mm级,让主动液体循环开始具备进入超薄电子设备内部的可能。

只有泵做薄还不够,液体流动的通道同样需要压缩。为此,汉得利进一步开发超薄液冷膜,将流道集成到薄型PET结构内部,液冷膜最低可以做到0.2mm级。这样一来,液体不再需要通过传统粗管路绕过热源,而可以更加贴近芯片、功率器件、充电模组等局部热点布置。

相比单纯依靠导热材料把热量向周围扩散,微型液冷更重要的价值在于“主动搬运热量”。冷却工质经过热点区域以后,可以把热量带向温度相对较低的位置,再结合设备内部已有的均热板、结构件或其他散热组件继续向外释放。

汉得利现阶段特定测试条件下,当热源温度达到50℃后启动系统,约2秒后温度下降约10℃。这一结果并不代表所有终端设备都能获得相同温降,但它说明了一件更重要的事情:当微泵和流道被压缩到足够薄之后,微型液体循环已经能够在非常有限的空间内承担实际的热量转移任务。

对于终端厂商来说,这种技术带来的改变并不只是“液冷又变小了一点”,而是过去因为泵和流道太大而无法考虑液冷的位置,开始有机会重新进入主动热管理的设计范围。

让主动气流进入过去放不下风扇的空间

如果说微型液冷解决的是“如何主动搬运热量”,那么压电风冷解决的则是另一个问题:如何在非常薄的空间中主动推动空气。

传统风扇依赖电机和扇叶旋转,需要一定的安装高度和完整的进出风结构。这对于笔记本电脑、服务器来说并不是大问题,但到了手机、AR眼镜、机器人内部模组以及其他高度紧凑的电子设备中,几毫米的结构高度就可能成为难以接受的负担。

汉得利压电风扇不依赖传统旋转电机,而是利用压电材料产生高频机械运动,再通过结构设计形成定向气流。这种驱动方式让风扇可以沿着完全不同的方向继续变薄。

目前,汉得利压电风扇已经可以做到约13×13×0.7mm。0.7mm的厚度意味着,它更接近一种可以围绕热点布置的超薄气流器件,而不再只是传统意义上的“小风扇”。在如此薄的结构下,其自由流量仍可达到5L/min以上,能够为局部主动换热提供实际的气流基础。

这一点对于高集成终端尤其重要。很多设备真正难处理的并不是整机温度,而是某颗SoC、功率器件、无线充电模组或其他电子组件形成的局部热点。如果能够把一个足够薄的主动气流器件直接布置在热点附近,就有机会减少空气停滞,让局部热量更快与周围环境发生交换。

因此,压电风扇真正值得关注的并不仅仅是“比传统风扇更薄”,而是它让主动风冷从过去的整机级方案进一步向器件级靠近。传统风扇放不进去的地方,并不意味着那里没有主动散热需求;很多时候,只是过去没有足够薄的主动气流方案。

液冷与风冷解决的是两个不同的热管理问题

微型压电液冷和超薄压电风冷并不是相互替代的两条路线。

当热量集中在某一个位置,需要将热量主动转移到设备其他区域时,液冷更适合承担“热量搬运”的任务。通过超薄流道和微型压电泵,可以把热量从局部热点带向更大的散热区域,从而改变热量在设备内部的分布方式。

而当设备内部存在一定空气空间,但自然对流不足时,压电风扇更适合承担“局部强化换热”的任务。主动气流经过芯片或者发热器件表面,可以改善周围空气停滞的问题,让热量更快进入整机热路径。

实际产品并不需要在两者之间简单二选一。未来的热管理更可能是一套系统工程:均热板负责把高热流密度热点快速铺开,导热材料建立热传导路径,微型液冷负责把热量搬到更合适的位置,而超薄压电风扇则进一步加强特定区域的空气交换。

汉得利正在做的,并不是用压电散热完全取代已有的VC、热管或者石墨材料,而是给工程师增加新的器件级热管理工具。当传统方案已经接近空间极限时,主动散热还能不能继续往更小的地方走,这正是压电技术能够发挥价值的位置。

主动散热越来越小,终端设计空间反而越来越大

未来的电子设备不会因为散热困难而停止增加性能,也很难为了更大的散热系统轻易牺牲产品厚度。随着高性能芯片继续向手机、AI终端、AR/VR、机器人和更多边缘设备渗透,热管理也需要从过去相对独立的结构模块,逐渐向更贴近热源的器件级能力演进。

从0.5mm级压电微泵、0.2mm级超薄液冷膜,到0.7mm级压电风扇,汉得利持续推进的方向并不是简单追求“参数更小”,而是希望主动散热能够进入更多过去无法进入的结构空间。

当液体循环可以贴近芯片,当主动气流可以布置在狭窄电子模组附近,散热系统与产品本身的关系也会发生变化。工程师不再只是做完整机结构以后,再寻找一个地方放散热器,而可以从产品设计早期就把微型主动热管理纳入芯片布局、模组位置和内部空间规划之中。

对于终端产品来说,更小的散热器件最终带来的也并不仅仅是更低的温度。它意味着在性能、厚度、结构布局和持续运行能力之间,可以获得更多重新平衡的空间。

让液体进入超薄流道,让微泵进入0.5mm级空间,让主动气流进入0.7mm结构——汉得利正在探索的,正是主动散热进一步走向毫米级之后,电子设备能够获得的下一轮设计自由度。

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汉得利(常州)电子股份有限公司成立于2002年,是国内技术领先的声学、传感、微型主动散热器件及方案供应商。产品涵盖声学、传感、微型主动散热器件及模组,广泛应用于汽车、家电、消费电子、安防报警、工程机械、医疗器械、电子散热等行业。