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超薄热管-智能手机散热解决方案

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手持行业设计中,一般超强运行能力的手机会存在散热的问题,高频CPU的热量集中,这也是现代电子元器件设计过程中不可避免的话题。据统计电子元器件因热量集中引起的材料失效占总失效率的65%-80%,振动及冲击载荷失效约为10%,其他占15%左右,可见热管理技术是电子产品设计的关键考量因素。

电子元器件热应力破坏的原因

一般可从两个方面来解释:

1.电子元件内晶片因热量积累导致温度升高,以至集电极电流增大,而同时电流增大又会造成热量上升,进而造成元件损坏。

2.不同的材质有不同的热胀系数,温度不一致会造成封装材质热应力破坏。

如何有效的设计手持设备的热解决方案呢?首先需要了解两个关键知识点:

 

 
接触热阻和导热系数
 

接触热阻是由接触界面的粗糙程度所造成的,即便材料表面看上去很平整,其实从微观的角度看仍是坑坑洼洼,导致散热效果不好。

导热系数是材料的本身属性,是指材料的导热能力。

因此好热管理方案必须要处理好这两个问题。现在市场上的手持设备热管理方案主要使用以下几种材料:

一是导热硅胶类产品,导热硅胶类产品具有很强的可压缩性能,在使用过程中,压力促使其接触面增大,可减小散热器和芯片间的接触热阻。尽管导热硅胶类材料的导热系数小(1-5W/m.k),但对提升热管理系统的性能仍有一定作用,因此有一定的市场需求。目前市场上做导热硅胶类产品的商家很多,价格实惠。

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二是石墨及石墨类衍生品,主要是利用石墨超强的导热系数进行散热,特别是在手持设备行业,0.017mm厚度的人工石墨对空间的要求极低,且其导热系数能够达到1600W/m.k以上,是目前使用较多的手持设备导热材料。目前市场上比较大的人工石墨厂家较多,如松下、中石伟业、碳元和思泉实业等。虽然人工石墨的导热系数极佳,但是材料很薄,散热能力有限。市场产能趋于饱和,价格趋近成本。

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三是热管产品,利用产品内工质的相变进行高效导热的产品,热管在电脑和通讯设备中使用已久,散热效果明显,这两年才真正用于手机行业,从目前的市场反应来看,其是未来手机热管理系统中当仁不让的主流设计。目前市场上用热管手机散热的资料比较少,我详细给大家介绍一下手机热管材料的使用原理。


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热管是一种利用相变传热技术工作的被动传热元件,依靠工质的相变(液相与汽相间的转变)来传递热量。典型的热管由管壳、吸液芯和工质组成。当热管一端吸热,吸热端的液态工质汽化成蒸汽,在热管内部压差的作用下蒸汽向另一端高速运动,冷端遇冷后液化,释放潜热并重新冷凝成液态工质,并通过吸液芯结构回流。见下图一所示,在工质受热蒸发的区域称为蒸发段,蒸汽遇冷液化的区域称为冷凝段,在蒸发段与冷凝段之间,由于热管与外界的热交换很少,称为绝热段。

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图1.热管的工作原理图

三星Galaxy S7/Edge就采用了热管散热技术,为什么高频的CPU也会有“冰凉”的手感,现在手机市场使用的热管直径在2mm-5mm,压扁后的厚度≤0.6mm,使用过程中配合导热硅脂降低接触热阻,再加上热管及热管模组相变导热,热量传递快,因此散热效果好。目前市场上能够做这种超薄的热管的厂家非常少,除了台系外,深圳市德镒盟电子是为数不多拥有核心专利技术研发生产超薄热管国内公司之一,有能力生产制造热管及热管模组。


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热管散热与其他散热材料在方案上的区别在于,前期我们需要做热管理系统的数值模拟分析,且热管的厚度(0.4mm-0.6mm)比石墨产品的0.017mm厚,所以在超薄手机等手持设备中,热管的自身结构的优化设计及其在手机上的位置排布等都至关重要。目前,深圳德镒盟电子可以根据热需求,运用Icepak等软件做热管理系统的数值模拟分析,结合自身的热管及模组技术进行前期的设计和热管位置的规划排布等。

另外还有液态金属等材料,液态金属的相变与热管的相变是完全不一样的,热管是通过相变的高效导热,而液态金属的相变是在温度高时软化用来减少接触热阻,主要的导热还是通过热管理系统中金属材料进行的。且由于价格昂贵,使用效果一般,在手持设备散热上使用较少。

 以上只是简单介绍一下手持设备的部分散热材料及其使用情况,其实在手持设备的热管理系统设计是非常专业而且复杂的课题,也欢迎喜欢手持设备热管理的朋友参与讨论。

本文来源:新材料在线

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