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5G手机散热材料(技术)和国内外生产厂家梳理

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5G手机散热材料(技术)和国内外生产厂家梳理

       散热材料和技术当前主要被应用在消费电子、通信设备、新能源汽车、工业、医疗、数据中心等领域。其中消费电子和通信设备领域应用需求最大,市场占比较超过80%。随着智能手机、计算机、可穿戴设备等消费电子产品配置升高,消费电子产品硬件不断升级,硬件的升级对散热性能提出了更高的要求,推动散热材料需求扩增。以智能手机为例,5G手机在内部硬件配置和整体架构设计上,与传统4G手机有很大的不同,5G手机无论是从芯片、天线设计、存储空间及速度还是空间布局、相素等,都较4G手机具有明显提升。这些硬件的堆砌将为手机尺寸在更紧凑化的趋势下带来更高的发热量,手机散热需求也愈发苛刻。目前,手机散热技术各不相同,所以一般为了让手机散热性能更强,旗舰手机就会采用组合方式将这些散热材料和技术搭配使用,优势互补。

       以手机芯片为例,4G手机的芯片功率为1W-2W,导热凝胶、石墨片、手机中框等均可实现散热。但5G手机芯片最大功率将达到5W-7W,传统的石墨片难以解决,催生新的材料,如石墨烯、超薄热管、超薄均热板等材料。如下表所示,更多的手机厂商采用了多种散热方式结合来进行手机的散热,随着石墨烯技术逐渐成熟,均热板散热成本减低,预计未来此种复合方案应用比例会进一步提高。

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部分5G手机的散热方案对比

       同时,未来电子设备小型化趋势促使散热材料和技术向多功能发展。在保证高导热能力的同时还可兼顾电磁屏蔽、滤波、储热等功能,实现散热材料功能的最大化。例如,阶段智能手机多采用玻璃(1.09 W/m·K)、陶瓷(20 W/m·K)、合金(236 W/m·K)和塑料(0.65 W/m·K)作为外壳材料。在导热性能方面,玻璃、陶瓷和塑料比合金差,手机内部需填充更多导热材料才可达到合金外壳手机同等散热效果,但是金属材料会对手机信号造成干扰。在5G时期,采用Massive MIMO技术,手机天线数量将从4G时代的2-4根变为8根甚至16根,由于电磁波会被金属屏蔽,在5G天线数量增多以及电磁波穿透能力变弱的情况下,金属外壳已经不再适用。手机外壳是手机的两条重要传热路径之一,在5G手机外壳非金属化时代下,很大程度上增加了散热材料和技术的热管理方案的设计难度。以下笔者简要梳理了目前主流的手机散热材料和散热技术的技术特点,及各材料或技术的优点和缺点。

 一、热界面材料
1.1 导热凝胶
       导热凝胶是一种较为新颖的热界面材料。其作用机制是将还未固化的液态聚合物通过用手动或自动的方式填入电子设备的界面之中,然后再在一定条件下固化成热固性聚合物材料,从而实现最大程度地贴合两相界面,减少空隙。一般的导热凝胶是由高导热的填料与高分子基体组合而成。根据导热填料是否导电能够将导热凝胶分为两类:绝缘导热凝胶(如AlN/环氧胶)以及导电导热凝胶(如银粉/环氧胶)。制备导热凝胶所使用的高分子树脂基体主要有有机硅、聚氨酯、环氧以及其他类的导热凝胶。
       优点:对比导热垫片,导热凝胶更加柔软,表面亲和力更强,在外力下可将导热凝胶压缩到0.1mm,因此设备使用起来可以避免产生内应力。对比导热膏,导热凝胶操作更加简便,导热膏一般使用丝网印刷或直接刷涂,影响环境,并且具有流动性可能导致电路板短路,导热凝胶可以成型为任意形状,对于不规则界面也能确保紧密接触。另外,导热凝胶在使用中可以很好地附着在固体表面,无渗油和干燥问题,具有耐高温,耐老化,可靠性高的特点,可在-40-150℃温度范围内长期工作。
       缺点:导热凝胶使用中需要进行固化步骤,其热导率比导热膏低,另外导热凝胶的粘结性能较弱,使用过程中可能导致分层现象,影响电子设备有效散热。 

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导热凝胶

1.2 冰巢散热——相变材料

       相变材料是一种具有良好导热性能的相变材料的总称,是指能够随着温度的变化由固态变成液态,并能够降低界面热阻实现热量传递的一种复合材料。相变材料通常在50-80 ℃范围内熔化,并具有多种填料结构配置以增强其导热性。相变材料的熔点通常被设计为低于电子元器件的最高工作温度,如果相变温度较低,当环境温度过高时,相变材料发生相变的可能性就会增加。相变材料分为无机类相变材料、有机类相变材料和混合类相变材料,其中石蜡是常见的一种相变材料,向石蜡中填充导热填料能够制备出导热性能较好的相变材料。

       优点:相变材料综合了导热膏和导热垫片各自的优点,在温度到达其相变点前,它具有和导热垫片不相上下的弹性及塑性,不会出现被挤出的现象;随着产热元件的工作温度逐渐升高,当温度达到相变材料的熔点以上时,相变材料就会发生相变成为液态,这个时候和导热膏类似, 他能够充分地填充界面之间的空隙,从而极大程度地降低了界面之间的热阻。

       缺点:相变材料的热导率比导热膏低。另外,在使用过程中,由于要求利用一定的压力作用来增加其传热效率,因此也会导致其机械应力的增加。

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相变材料

       热界面材料上游包括玻璃纤维、硅胶、氧化铝、树脂材料等,这些材料大部分市场供应充足,不存在稀缺性,因此热界面材料下游应用十分广泛,主要包括通信设备、电子设备、汽车和家用电器等领域。热界面材料供应商主要有莱尔德、德国汉高、固美丽、道康宁、信越化学、富士等,占据90%以上的市场份额。我国企业在热界面材料方面起步较晚,中石科技、飞荣达等在热界面材料方面有一定产品积累,在导热膏与导热垫片领域的产品较为成熟,已初步完成产业化产品及体系认证并实现批量供货,但高技术含量高附加值的相变材料与导热凝胶产品还处于摸索阶段。
二、石墨片/石墨烯
       石墨是相较于铜和铝等金属更好的导热材料,主要原因在于石墨具有特殊的六角平面网状结构,可以将热量均匀地分布在二维平面并有效地转移。石墨烯又称单层石墨,具有快速导热特性和散热特性,是现阶段已知导热系数最高的导热材料,其理论导热系数高达 5300W/m·K。
2.1 石墨片/膜
       石墨片/膜是一种碳分子高结晶态组成的导热材料,由于具有独特晶粒取向,石墨片可沿两个方向(X-Y轴)散热。在水平方向上,石墨的导热系数为300~1900 W/m·K,而铜和铝的导热系数约为200~400 W/m·K。在垂直方向上,石墨的导热系数仅为5~20 W/m·K。因此,石墨具备良好的水平导热、垂直阻热效果。同时,石墨的比热容与铝相当,约为铜的2倍,这意味着吸收同样的热量后,石墨温度升高仅为铜的一半。石墨片可分为天然石墨片和人工石墨片:天然石墨片有导热性良好、柔软易加工、无气味和液体渗透性等特点,但天然石墨片难以加工成薄片,在电子设备中会占用较大空间且与人工石墨片相比导热性能较低。人工石墨膜导热性能远高于天然石墨,散热速度极快轻薄,可有效节省空间, 由聚酰亚胺(PI 膜)经过碳化和石墨化制成, 是当前最薄的散热材料,最薄可做到0.01mm。
      优点:基于高导热系数、高比热容和低密度等性能优势,石墨片目前是手机等消费电子产品的主流散热材料。缺点:石墨片相对较厚,不利于消费电子产品小型化,薄型化的要求。石墨膜的上游高端聚酰亚胺材料掌控在国外厂商手中。

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石墨片/膜

2.2 石墨烯

       石墨烯是已知的导热系数最高的物质,理论导热率达到 5300W/m·K,远高于石墨。它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体,厚度仅为 0.335nm,又称为单层石墨,是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。利用石墨烯制成的高导热石墨烯散热片具有极高的导热率和热辐射系数,应用于智能手机、电脑等电子产品中,可有效提升设备性能、提高设备使用寿命。同时,石墨烯还可被用于制作复合材料,生成热导纤维和导热塑料。石墨烯所形成的导热塑料具有散热性能好、成本低、重量轻、易生产等优势,可用于电子产品塑料外壳生产等领域。

       优点:石墨烯的快速导热特性与快速散热特性,使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料。

       缺点:新兴技术,成本较高,大尺寸薄膜制备难题正在逐步攻克。

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石墨烯

       石墨片是消费电子领域的主流材料,智能手机中主要使用人工合成石墨片/膜,用量视手机性能和要求而定,大概在3~6片,使用到的部件包括镜头、CPU、OLED显示屏、WiFi 天线、无线充电器和电池等。目前石墨片/膜行业主要参与者为日本松下、美国 Graftech、日本 Kaneka、碳元科技、中石科技和飞荣达等。日本松下和美国 Graftech 进入该领域较早,技术成熟,主打高端市场。国内碳元科技、中石科技和飞荣达等已经进入三星、华为等主要手机厂商的供应链。由于石墨片行业进入门槛相对较低,普通石墨片产品的单价有一定压力,行业往高导热率,质量轻,可塑性好的石墨烯升级。
三、热管/均热板
       热管和均热板(Vapor Chamber,VC,真空腔均热板散热技术)是电子产品中常用的散热强化部件,导热系数非常高,在高功率或高集成度电子产品中应用广泛。
3.1 热管
       液冷散热依赖的是一种叫做「热管」的元件,热管本质上是含有液体的中空闭合管道,液体在管路的蒸发段蒸发吸热,成为气体,到管路的冷凝段冷凝成液体放热。电脑端的液冷散热中的冷却液常用材料是水,手机端要求较PC端更高,常用优质材料作为冷却液。
       优点:液冷散热的优点在于使用寿命长和设置灵活,同时因为技术相对成熟,成本也比较小一些。
       缺点:热管为一维线性热传导,无法实现面上二维散热模式,价格比石墨片贵。 

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热管

3.2 均热板

       均热板(VC)散热又称真空腔均热板散热技术,是一个内壁具有微细结构的真空腔体,通常由铜制成。当热量由热源传导至VC腔体时,腔体里的冷却液受热后开始产生气化现象,液体气化吸热,凝结后的冷却液会借由微结构的毛细管道(整个循环的驱动力是毛细力)再回到蒸内发热源处,此过程可以不断反复进行。

       优点:VC均热板是目前最新的第三代散热技术,可以被看作热管的升级技术,不同于热管的一维热传导, VC均热板升级到整个面,可以更快地将热量从二维面上带走。

       缺点:均热板会随不同电子元器件尺寸的大小而有不同的设计,制作工艺相较复杂,制作成本较高。

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均热板

       热管技术成熟较早,在计算机、投影仪等领域广泛应用,目前超薄的热管已经应用到手机终端。均热板成本较高且超薄款工艺难度较高,目前在手机端的应用还仅配置在旗舰款手机上。目前热管和均热板的主要供应商为中国台湾厂商,包括双鸿、超众、泰硕等,覆盖全球主流的服务器、计算机和手机厂商等下游客户。国内方面,碳元科技于 2018年投资设立常州碳元热导科技有限公司,主要从事超薄热管/均热板及相关材料的研发和生产。飞荣达于2018年收购昆山品岱 55%股权,拥有热管/均热板生产能力。

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