1. 漲知識(shí)丨一文了解5G導(dǎo)熱散熱材料發(fā)展

              2020/10/3 9:39:07??????點(diǎn)擊:

              目前,全球有78個(gè)國(guó)家的182家運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)啟動(dòng)5G建設(shè)或正在進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試,有些國(guó)家甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5G在部分地區(qū)的試商用。


              5G時(shí)代的大幕已經(jīng)徐徐拉開,而應(yīng)用于5G通信的新材料,其研究熱度也早已升溫,本文主要對(duì)5G導(dǎo)熱散熱材料進(jìn)行分析。



              5G時(shí)代的一個(gè)顯著特點(diǎn)是發(fā)熱量顯著增加。隨著功耗增加,對(duì)散熱的要求更加的嚴(yán)苛,新的導(dǎo)熱散熱材料應(yīng)用也更加廣泛。


              目前手機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)如下:

              1. 5G芯片等電子元器件功耗增加,產(chǎn)生的熱量更多


              2. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為緊湊,機(jī)身向非金屬化演進(jìn),需額外散熱設(shè)計(jì)補(bǔ)償


              3. OLED、可折疊屏應(yīng)用引入帶來導(dǎo)熱材料的顯著需求


              4. 無線充電應(yīng)用引入帶來導(dǎo)熱材料的顯著需求


              據(jù)報(bào)道,華為的5G芯片消耗的功率將是當(dāng)前4G調(diào)制解調(diào)器的2.5倍,需要更多更好的散熱模塊以防止手機(jī)過熱。從手機(jī)結(jié)構(gòu)上來看,后蓋是手機(jī)的一條重要傳熱路徑,但由于5G時(shí)代金屬將不再適用,玻璃材質(zhì)的導(dǎo)熱能力和鋁合金相差較大,因此需要增加額外的散熱設(shè)計(jì),例如iPhone XS中,為了讓雙層主板更好的散熱,主板正反面都貼有非常大塊的散熱石墨片,同時(shí)主板上的A12芯片也涂上了大量的導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行散熱。



              圖10  智能手機(jī)散熱途徑


              圖11  蘋果XS散熱石墨片及導(dǎo)熱硅脂


              OLED使用率快速提升,預(yù)計(jì)到2021年期間全球柔性O(shè)LED理論總產(chǎn)能面積將達(dá)到88%的復(fù)合增速,針對(duì)其散熱的需求將同步增加。OLED屏幕相比LCD屏幕具備顯示效果好、更輕薄、能耗低、可實(shí)現(xiàn)柔性效果等優(yōu)點(diǎn),但OLED材料高溫受熱易衰退,因此對(duì)散熱要求大幅增加。例如蘋果在iPhone X的OLED屏幕內(nèi)側(cè)貼了石墨片,面積較大,且要求非常平整,厚度0.1mm,為雙層石墨。


              可折疊手機(jī)的上市將進(jìn)一步增加OLED使用量,從而顯著增加對(duì)散熱的需求。目前三星、華為等品牌廠商都在積極布局可折疊手機(jī),并已發(fā)布上市,如Galaxy Fold、Huawei Mate X。


              圖12  折疊屏手機(jī)


              無線充電技術(shù)的發(fā)展對(duì)散熱也提出了較高需求。無線充電是指無需借助電導(dǎo)線,在發(fā)送端(無線充電器)和接收端(位于智能手機(jī)等設(shè)備中)用相應(yīng)的設(shè)備發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號(hào)來進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)。蘋果、三星、華為等領(lǐng)先品牌都已在旗艦機(jī)型上積極推出無線充電,根據(jù)Yole的數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)2018-2024年智能手機(jī)無線充電接收端銷量的復(fù)合增速將達(dá)32.4%。由于手機(jī)中無線充電線圈的存在,iPhone X中的鋼板中央開有大孔,但其阻礙了熱量沿鋁板傳導(dǎo),削弱了后蓋的傳熱能力,因此蘋果在線圈上貼銅箔石墨層來彌補(bǔ)。據(jù)中時(shí)電子報(bào)報(bào)道,由于OLED屏幕、Force Touch、無線充電及部份晶片的散熱需求,iPhone X對(duì)人造石墨散熱片用量為iPhone 8的2-4倍。


              圖13  iPhone手機(jī)充電線圈散熱石墨層


              目前應(yīng)用的導(dǎo)熱材料主要分為導(dǎo)熱膏、片狀導(dǎo)熱填充材料、相變化導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱凝膠、石墨膜和熱管等。


              1.導(dǎo)熱膏

              導(dǎo)熱膏是主要以有機(jī)硅酮為原料的導(dǎo)熱硅脂和其他耐熱、導(dǎo)熱的材料復(fù)合而成的導(dǎo)熱型有機(jī)硅脂狀復(fù)合物。導(dǎo)熱膏有本身導(dǎo)熱率高、膠層厚度薄、附著壓力最小、再加工性好等優(yōu)點(diǎn)。它主要用于功率放大器、電子管、晶體管等電子器件的導(dǎo)熱及散熱,使用方式為絲網(wǎng)、鋼板印刷,或是直接刷涂。


              圖14  導(dǎo)熱膏示意圖


              2.片狀導(dǎo)熱填充材料

              片狀導(dǎo)熱填充材料通常被稱為導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱硅膠墊等,具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱能力、絕緣性、柔韌性等,是一款專門利用填補(bǔ)空隙來傳遞熱量的產(chǎn)品,能夠完美填充散熱件和發(fā)熱件之間的空隙,提高熱傳遞效率。片狀導(dǎo)熱間隙填充材料可應(yīng)用在各種元器件表面與散熱器,外殼等之間起導(dǎo)熱、絕緣、粘接、防震等作用。該類產(chǎn)品可任意裁切,利于滿足自動(dòng)化生產(chǎn)和產(chǎn)品維護(hù)。有些產(chǎn)品通過加玻璃纖維網(wǎng)、表面金屬層等方式來增加其機(jī)械強(qiáng)度及可操作性,還有導(dǎo)熱膠帶等具有粘接等附加功能的產(chǎn)品。


              圖15  導(dǎo)熱片示意圖


              3.相變化導(dǎo)熱界面材料

              相變化導(dǎo)熱界面材料中的部分基材在受熱后會(huì)從固態(tài)變到液態(tài),使得材料更加貼合發(fā)熱件表面從而獲得更低的熱阻來提高熱傳遞效率。相變化導(dǎo)熱界面材料在常溫下是固體,十分便于大批量生產(chǎn)及管控,對(duì)很多表面黏貼封裝器件使用非常方便,常用于計(jì)算機(jī)和外設(shè)、高性能計(jì)算機(jī)處理器、顯卡、電源模塊等的導(dǎo)熱應(yīng)用。


              圖16  相變導(dǎo)熱硅膠墊示意圖


              4.導(dǎo)熱凝膠

              導(dǎo)熱凝膠(GEL)是一種凝膠狀態(tài)的導(dǎo)熱材料,相對(duì)于導(dǎo)熱墊片,更柔軟且具有更好的表面親和性,可以壓縮至非常低的厚度,使傳熱效率顯著提升,最低可以壓縮到0.1mm。陶氏化學(xué)最新研發(fā)的針對(duì)于手機(jī)電子元件熱管理的新型陶熙TC-3105有機(jī)硅導(dǎo)熱凝膠,可以涂覆在芯片的封裝表面,替代傳統(tǒng)的成品散熱墊,具有低成本、室溫下或電子元件發(fā)熱時(shí)固化從而提高接觸面積的特點(diǎn)。


              圖17  導(dǎo)熱硅凝膠示意圖


              5.石墨膜

              導(dǎo)熱石墨膜是一種碳分子高結(jié)晶態(tài)組成的全新高導(dǎo)熱散熱材料,能沿X、Y兩個(gè)方向均勻高效導(dǎo)熱,且石墨的片層狀結(jié)構(gòu)能適應(yīng)多數(shù)表面,因此有著極佳的導(dǎo)熱功能。高導(dǎo)熱石墨膜平面內(nèi)具有150~1700W/(m·K)的超高導(dǎo)熱率,具有柔軟、易加工的特點(diǎn)。溫度適用范圍廣,石墨層不老化和脆化,適用于大多數(shù)化學(xué)品介質(zhì),廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦等需要高散熱解決方案的電子產(chǎn)品。


              圖18  石墨結(jié)構(gòu)示意圖


              圖19  石墨性能參數(shù)


              從導(dǎo)熱石墨膜的性能差異來看,主要分成單層、多層和復(fù)合型導(dǎo)熱膜3類。其中單層高導(dǎo)熱膜應(yīng)用范圍最廣,復(fù)合型和多層高導(dǎo)熱膜主要是在單層的基礎(chǔ)上與銅箔或多層石墨膜復(fù)合而成。其中單層導(dǎo)熱石墨膜最薄,多層導(dǎo)熱石墨膜具備儲(chǔ)熱功能,復(fù)合型導(dǎo)熱石墨膜則具備導(dǎo)熱、儲(chǔ)熱、屏蔽輻射的功能。


              從原材料分,導(dǎo)熱石墨膜主要分為天然和人工兩種。天然石墨散熱膜不能做很薄,一般成品最薄做到0.1mm厚度,導(dǎo)熱系數(shù)只有300~700W/(m·K)。人工石墨膜具備更加優(yōu)秀的性能,更低的成本,需求空間非常大,納米碳散熱膜最薄可做到0.03mm,導(dǎo)熱系數(shù)相較普通石墨散熱膜顯著提高。


              圖20  石墨散熱膜


              隨著5G時(shí)代的到來,電子設(shè)備的核心零部件散熱需求顯著提升,對(duì)導(dǎo)熱石墨膜材料將提出更多新的要求,如厚度更薄、導(dǎo)熱性更好,以及可加工為3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品等。由于石墨烯的導(dǎo)熱性能超高,約5300W/(m·K),石墨烯導(dǎo)熱膜的研制將會(huì)給散熱帶來大幅度提升,受制于生產(chǎn)工藝的影響,產(chǎn)能較低,研發(fā)進(jìn)度較快的為華為實(shí)驗(yàn)室,其旗艦機(jī)Mate 30 Pro 5G已應(yīng)用石墨烯散熱膜,散熱性能大幅提升。


              圖21  石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖


              圖22  華為Mate 30 Pro 5G散熱效果


              6.熱管

              熱管散熱也叫“液冷散熱”。熱管散熱器由密封管、吸液芯和蒸汽通道組成。吸液芯環(huán)繞在密封管的管壁上,浸有能揮發(fā)的飽和液體。液體可以是蒸餾水,也可以是氨、甲醇或丙酮等。充有氨、甲醇、丙酮等液體的熱管散熱器在低溫時(shí)仍具有很好的散熱能力。


              熱管散熱器運(yùn)行時(shí),其蒸發(fā)段吸收熱源(功率半導(dǎo)體器件等)產(chǎn)生的熱量,使其吸液芯管中的液體汽化成蒸汽。帶有熱量的蒸汽就從熱管散熱器的蒸發(fā)段向其冷卻段移動(dòng),當(dāng)蒸汽把熱量傳給冷卻段后,蒸汽就冷凝成液體。冷凝的液體便通過管壁上吸液芯的毛細(xì)管作用返回到蒸發(fā)段,如此重復(fù)上述循環(huán)過程不斷地散熱。


              圖23  熱管運(yùn)行示意圖


              圖24  華為手機(jī)熱管應(yīng)用示意圖


              生產(chǎn)廠商:

              導(dǎo)熱材料與石墨材料行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局以國(guó)際供應(yīng)商為主,近年國(guó)產(chǎn)廠商進(jìn)步明顯。國(guó)際市場(chǎng)上,導(dǎo)熱材料壟斷企業(yè)是美國(guó)Bergquist和英國(guó)Laird,合成石墨產(chǎn)品的高端客戶市場(chǎng)主要有Panasonic、中石科技和碳元科技等。更多濾芯膠請(qǐng)?jiān)L問www.googleadsenseguru.com
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