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5G时代,电子设备“散热材料”的大机会!

作者: cnpim CNPIM 11月13日

随着加强5G网络的建设,5G手机依旧会是今年度的热门之一,成为带动手机市场业绩增长的亮点,但由于5G手机功耗较4G手机增加2倍以上,在5G时代,手机散热的问题依然是行业解决的难点。

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随着5G通信网络的发展,5G智能手机正朝着轻薄化、智能化和多功能化等方向发展,在电子设备高性能、小型化发展趋势下,设备的高集成度对手机材料的散热处理技术提出了更高的性能要求和挑战,散热的好坏将直接影响到电子设备工作的稳定性,散热设计在电子设备开发中重要性也越来越大。

所以,最近几年手机的散热技术在不断更新与迭代,从石墨散热、金属背板、边框散热、导热凝胶散热到热管散热,再到均温板散热等等。

01
为什么需要散热


全球智能手机、平板电脑行业步入 5G 时代,随着智能手机对轻薄化、小型化设计的追求,手机内部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;手机CPU频率正迅速提升,同时封装密度也越来越高、机身越来越薄,其功率密度却快速增加,但由于手机硬件配置的逐步提高、CPU多核高性能的升级,以及通信速率的提升,散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题,进而驱动对高散热性能材料的需求。

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一旦散热问题处理得不好,就会造成智能手机卡顿、运行程序慢、烧坏主板甚至造成爆炸的危险,所以散热将成为整个智能手机行业面临的主要问题之一。

散热原理包括热传导、热对流和热辐射,其中以热传导、热对流为主。热传导是直接接触带走热量,如电脑CPU散热片底座与CPU直接接触带走热量;常用电风扇原理是热对流,散热风扇带动气体流动进行散热;热辐射指的是依靠射线辐射传递热量。其中热传导和热对流是散热系统主要方式,热传导主要与散热器材料的导热系数和热容有关,热对流则主要与散热器的散热面积有关。

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根据热传导和热对流方式不同,散热分为主动散热与被动散热两种方式。通常我们所说的被动散热,就是cpu只采用的是散热片,其气流通常由侧面安装的风扇完成推动工作;主动式散热是我们常见的方式,就是在散热片上面还加装了一个风机。目前台式电脑和笔记本电脑采用主动与被动结合的方式散热,手机终端、平板电脑等轻薄型消费电子受内部空间结构限制,多采用被动散热方案。

02
材料种类及其特点


据 Gartner 预测,今年 5G 手机销量逾 1500 万支,比重虽不到整体销量的 1%,但最快明年下半年开始攀升;Canalys 还预测,2023 年全球 5G 手机出货,将成长至 7.74 亿支,超越4G手机。

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5G手机的需求高峰将在明后年出现,其芯片功耗的增加和手机结构的变化,也对散热技术的革新和散热材料的升级提出了更高的要求。

在智能手机上主要的发热源包括这五个方面:主要芯片工作、LCD 驱动、电池释放及充电、 CCM 驱动芯片、PCB 结构设计导热散热量不均匀。

目前智能手机上采用的散热技术主要包括石墨烯热辐射贴片散热、金属背板散热、导热凝胶散热以及导热铜管散热。

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多层石墨片是当前智能机主流散热方式。石墨散热片的主要材料是人工石墨片(Graphitesheet)。人工石墨片的主要原料就是聚酰亚胺薄膜(PI film)经过碳化和石墨化两道高温制程产生。智能手机中使用石墨片的部件有:CPU、电池、无线充电、天线等。

热管是一种具有极高导热性能的传热元件,它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量。热管具有灵活度高、使用寿命长等特点。

均温板散热方案在于将多个点的热源之热流在短距离内将其均匀的分布于较大散热面积,随着热源之热通量的不同,均温板之等效热传导系数亦会有所不同。均温板散热技术方案的性能优于热管散热技术方案的 15-30%。一方面是均温板通常与热源直接接触,从而降低总热阻并改善了性能,而热管需要在热源和热管之间安装一块安装板。另一方面,均温板在芯片界面实现更好的等温从而减少热点,比热管产品有更高的性能。  

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市场中目前采用最多的是热管/均温板散热方案,因为热管的导热系数较金属和石墨材料有 10 倍以上提升,而均温板散热效率比热管更高。同时热管/均温板使用寿命长,均温效果优于其他散热方案。 热管、均温板工艺难度高,公司享受高附加值。


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