Review on the advanced vapor cooling chamber for electronic devices

Abstract

With the increasing trend of electronics miniaturization and increased heat fluxes in applications such as phones, laptops and electronic chips, electronic device thermal management faces challenges to dissipate the required heat with conventional cooling methods like air cooling and liquid cooling. Conventional cooling methods are widely used in different applications, but their limitations in compact and high-heat flux environments have led to the use of two-phase cooling methods. This Bachelor thesis explores conventional cooling methods and two-phase cooling methods and their use in electronics, with the main focus on a two-phase cooling method known as a vapor chamber. This Bachelor thesis is used to assess the main challenges in electronic cooling applications and get a deep insight to the operation principles of vapor chambers and some key design parameters and components that influence their thermal management performance. Additionally, recent developments such as ultra-thin, wickless and flexible vapor chamber structures are discussed. Literature studies identify vapor chambers capabilities to provide efficient heat spreading and low thermal resistance even under compact, high-heat flux conditions in electronic devices. In addition, performance of vapor chambers was shown to be afflicted by many design factors such as wick structure, working fluid properties, and structural geometry.

Overall, vapor chambers are regarded as a promising thermal management method for modern electronic devices. Still, challenges like long-term reliability, manufacturability, and operation under rising heat fluxes remain, thus future research is expected to focus on improving structural components such as wick structures, advanced manufacturing methods, and potential usages in hybrid cooling systems.

Tämä opinnäytetyö tarkastelee perinteisiä jäähdytysmenetelmiä ja kaksifaasisia jäähdytysmenetelmiä sekä niiden käyttöä elektroniikassa, keskittyen erityisesti höyrykammioksi kutsuttuun kaksifaasiseen jäähdytysmenetelmään. Tämän kandityön avulla arvioidaan elektroniikan jäähdytysjärjestelmien suurimpia haasteita, höyryjäähdytyskammioiden toimintaperiaatteita sekä keskeisiä suunnitteluparametreja ja komponentteja, jotka vaikuttavat niiden lämmönhallintakykyyn. Lisäksi tässä katsauksessa käsitellään viimeaikaisia kehityssuuntia, kuten erittäin ohuita, imuputkettomia ja joustavia höyrykammiorakenteita. Arvioidun kirjallisuuden perusteella höyrykammioilla on kyky tarjota tehokasta lämmön poistamista ja alhaista lämmönvastusta jopa elektronisten laitteiden kompakteissa, korkean lämpövirtauksen olosuhteissa. Lisäksi tutkimukset viittavat, että höyrykammioden suorituskykyyn vaikuttavat monet suunnittelutekijät, kuten imuputken rakenne, käyttönesteen ominaisuudet ja rakenteellinen geometria.

Yleisesti ottaen höyrykammioita pidetään lupaavana lämmönhallintamenetelmänä moderneissa elektroniikkalaitteissa. Haasteita, kuten pitkäaikainen luotettavuus, valmistettavuus ja toimivuus kasvavien lämpövirtojen olosuhteissa, on kuitenkin edelleen jäljellä, joten tulevan tutkimuksen odotetaan keskittyvän rakenteellisten komponenttien, kuten imurakenteiden kehittämiseen, edistyneisiin valmistusmenetelmiin sekä mahdollisiin käyttökohteisiin hybridijäähdytysjärjestelmissä.