液冷散热铜管散热效率高 热管均热板渗透至手机和基站

作者: 测试12 CNPIM 2020年01月02日

铜管散热技术中的铜管为中空设计,管中装有少量的水或者其他化学物质,当手机的温度超过临界温度时,铜管中的液体液化,蒸汽顺着管壁的毛细结构将热量从主板上带走,后蒸汽降温液化后,又顺着毛细结构流回。


铜管的管壳可以是标准的圆形也可以是椭圆、波纹等异形,用于手机中的散热铜管多以圆形和扁平为主。铜管内芯的毛细结构主要包括单层及多层网芯、轴向槽道式管芯和烧结粉末管芯等等。


最初在将液冷铜管散热技术使用在手机中的代表是索尼,在Xperia Z2和Xperia Z5Premium中分别使用了单铜管和双铜管散热,利用铜优秀的导热性和管中液体的冷凝过程导出手机中的热量。


相较于石墨散热方式,液冷铜管散热方式散热效率更高,导热也更加均匀。随着手机处理器性能越来越强对散热的需求持续提升,越来越多的手机开始使用液冷散热系统,例如:小米黑鲨游戏手机Helo采用双热管液冷散热;三星Note9采用碳纤液冷系统;OPPO Reno 10倍变焦版本采用液冷铜管散热等。


小米黑鲨游戏手机Helo使用双热管液冷散热方案,手机中的液冷系统是一套完整的液冷回路,热量铜管高导热材料传至导热铜管,铜管中的冷却液一定程度上帮助散热,此外热量还能够经过导热管分散到手机的其他位置,使元器件的温度能够均匀传导至手机外层提高散热效率。相较与之前黑鲨一代,Helo将导热铜管从一条增加至两条,分别经过CPU和WiFi区域,散热效率较之前有所提高。


而小米在海外发布的PocoF1机型则使用水冷散热系统,搭载装满水雾的散热铜管,铜管从芯片组上的金属散热器吸走热量,后进入电池下方连接到手机的金属主干,将热量平均分散到手机的各个部位,大大提升散热性能。


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华为在荣耀Note10中首次公布THE NINE液冷散热技术,在荣耀Note10中,华为使用的液冷管长度为113mm约为小米黑鲨中的两倍,液冷管直径与MacBookAir中一致为5mm,是小米黑鲨的1.7倍,贯穿机身的液冷管再加上手机中的九层立体散热,使散热效率提升41%,极限场景CPU最高可降温10摄氏度。


而根据华为轮值董事长徐直军称华为的5G芯片将会消耗目前4G调制解调器2.5倍的功率,高功耗芯片必然也会带来更大的热量。


而据了解,高通的5G芯片耗电量达5.3W,若同时含镜头及3D感测操作,整部手机瞬间能耗可以达到9.6W。更多的电量消耗,意味着5G手机要采用更复杂更高级的技术控制设备的过热。


电子元器件小型化、高功率化。以Intel芯片为代表,我们可以看到芯片发展趋势呈现单核到多核、低频到高频、低散热设计功耗到高散热设计功耗。


一般散热设计功耗主要应用于CPU,CPU散热设计功耗值对应系列CPU的最终版本在满负荷(CPU利用率为100%的理论上)可能会达到的最高散热热量,散热器必须保证在处理器TDP最大的时候,处理器的温度仍然在设计范围之内。


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笔记本电脑、智能手机呈重量变轻、厚度变薄的趋势。消费者更加喜好轻薄产品,我们可以看到轻薄本的占比正在持续提升,智能手机厚度变得越来越薄。随着集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小,其功率密度却快速增加,散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题。


由于液冷技术优秀的散热效果,市场上已发布的5G手机中大都搭载有液冷散热装置以满足5G手机远超4G的散热需求。


热管/VC导热系数最高,渗透率有望持续提升


热管和均热板(Vapor Chamber,VC)利用了热传导与致冷介质的快速热传递性质,导热系数较金属和石墨材料有10倍以上提升,作为新兴的散热技术方案,近年来开始获得广泛应用。


热管的导热系数范围为10000~100000W/m·K,是纯铜膜的20倍,是多层石墨膜的10倍。均热板作为热管技术的升级,进一步实现了导热系数的提升。


热管/VC散热系统的导热路径为:CPU产生热量经过TIM(导热界面材料)传导到热管,热管将热量快速传导到铜箔均匀散开,铜箔的热量进一步传导到石墨散热膜再均匀散开,同时石墨散热膜在手机平面方向把热量传导到金属支架上最后均开。


热管一般由管壳、吸液芯和端盖构成,将管内抽成负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封,管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),根据应用需要在两段中间可布置绝热段。吸液芯采用毛细微孔材料,利用毛细吸力(由液体表面张力产生)回流液体,管内液体在吸热段吸热蒸发,冷却段冷凝回流,循环带走热量。


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均热板又叫平板热管,其工作原理与热管类似,包括了传导、蒸发、对流、凝固四个主要步骤。


两者的差别在于热传导的方式不同。热管的热传导方式是一维的,是线的热传导方式,而均热板的热传导方式是二维的,是面的热传导方式,所以散热效率更加高。研究表明,VC散热器的性能比热管提高20%~30%。


从应用范围和渗透率来看,由于热管成熟时间早,且成本相对较低,在计算机/笔记本、投影仪、LED、大功率IC等微电子和光电领域具有广泛应用,目前也已经延伸到手机。


而VC当前的生产成本高,且量产能力弱,应用领域局限在高端笔记本、5G智能手机和电竞手机上,华为从Mate20 X开始均热板VC,三星新款旗舰机Note10首度采用VC。


目前,VC平均单价为2~3美金,是热管的5~10倍,轻薄型的单价更高。


在消费电子轻量化、超薄化且性能持续升级的背景下,热管和VC有望发挥导热性能优势,渗透率持续提升。


乐观预计,到2020年,热管/VC在手机终端的渗透率有望提升至15%,按照15亿台的手机出货量测算,假设热管/VC平均单价为1.5美金,则2020年市场空间为3.38亿美元。


厚度、长度和外观要求高,生产工艺难度大


虽然热管和VC的导热系数远高于金属、石墨和TIM材料,但在电子产品超薄化和轻量化的发展背景下,将热管和VC的厚度控制在合理范围面临很大挑战。


PC上热管厚度一般在1~2毫米,便携电脑和平板上的热管一般在0.8~1.2毫米,智能手机热管则需要控制在0.6毫米以内。三星S8中的热管厚度已经下降至0.4mm。


均热板是将两片铜板四边焊接,由于面积更大,散热效果更佳,但随着产品的轻薄化要求,均热板的毛细结构从铜粉烧结往蚀刻过渡,并且厚度下探到0.4mm以下对焊接精度等更为苛刻,故而生产难度较高,价格昂贵。


除厚度需要满足智能手机轻薄化的需求外,热管实际导热系数受长度和外观两大因素的影响。长度越长,导热系数越高。


外观方面,打扁和折弯等形状变化都会影响热管的毛细极限和蒸汽腔极限,两大极限值中的较低者决定了热管的最大导热量Qmax。毛细极限是指毛细结构决定的将水从冷凝器输送回蒸发器的能力;蒸汽腔极限是指蒸汽从蒸发器移动到冷凝器的空间。


因此,通过改变热管外观,调整毛细结构(孔隙率和厚度),可以满足不同应用场景对导热性能的要求。例如,当需要给定直径的热管在较高功率负载或重力下操作时,毛细管压力就需要增加;当需要更大的传热量时,孔隙半径就要扩大;当需要抵抗重力时,孔隙半径要适当缩小或者增加孔隙厚度。


从生产工艺的角度,热管的核心技术是纳米烧结吸液芯技术。


具体流程为:

(1)在热管内部壁面上涂布一层纳米高分子液体粘结剂;

(2)在粘结剂上涂布一层金属粉末;

(3)送入高温烧结炉内进行烧结;

(4)冷却后即完成热管烧结芯。由于热管和VC的生产工艺要求较高,目前主要供应链在海外,国内厂商正在积极寻求突破。


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台湾厂商占据主要份额,大陆厂商已实现技术突破


热管和VC均热板的供应链主要在台湾,相关厂商占据了大约70%的市场份额,包括超众、双鸿、泰硕、奇宏和健策等,下游客户覆盖全球主流的服务器、计算机、笔电和手机厂商。


2019年上半年,在消费电子市场整体疲软的市场背景下,主要台湾散热厂商实现收入大幅增长,营收增速回暖,我们判断主要原因在于5G基站及相关终端需求的快速放量。


目前,国内厂商在热管和VC上已取得一定的技术突破,碳元科技和飞荣达均有布局。


根据碳元科技招股说明书,公司于2018年投资设立常州碳元热导科技乐盈彩票注册,主要从事超薄热管/VC及相关材料的研发和生产,从而提供包括高导热石墨、超薄热管及VC在内的完整的终端散热解决方案。


飞荣达于2018年收购昆山品岱55%股权,昆山品岱主营散热模组,拥有热管/VC、冲压件和风扇技术和产品,在服务器、医疗器械、军工产品、新能源以及消费电子等领域具备丰富的技术、产品和销售经验。


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