5G導熱散熱材料詳解

熱管理 2021-06-30

5G導熱散熱材料詳解

5G時代的大幕已經徐徐拉開，而應用于5G通信的新材料，其研究熱度也早已升溫，本文主要對5G導熱散熱材料進行分析。

5G時代的一個顯著特點是發熱量顯著增加。隨著功耗增加，對散熱的要求更加的嚴苛，新的導熱散熱材料應用也更加廣泛。

手機產品的發展趨勢

目前手機產品的發展趨勢如下：

1. 5G芯片等電子元器件功耗增加，產生的熱量更多

2. 內部結構設計更為緊湊，機身向非金屬化演進，需額外散熱設計補償

3. OLED、可折疊屏應用引入帶來導熱材料的顯著需求

4. 無線充電應用引入帶來導熱材料的顯著需求

華為的5G芯片消耗的功率將是當前4G調制解調器的2.5倍，需要更多更好的散熱模塊以防止手機過熱。從手機結構上來看，后蓋是手機的一條重要傳熱路徑，但由于5G時代金屬將不再適用，玻璃材質的導熱能力和鋁合金相差較大，因此需要增加額外的散熱設計，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，同時主板上的A12芯片也涂上了大量的導熱硅脂進行散熱。

OLED使用率快速提升，預計到2021年期間全球柔性OLED理論總產能面積將達到88%的復合增速，針對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、可實現柔性效果等優點，但OLED材料高溫受熱易衰退，因此對散熱要求大幅增加。例如蘋果在iPhone X的OLED屏幕內側貼了石墨片，面積較大，且要求非常平整，厚度0.1mm，為雙層石墨。

可折疊手機的上市將進一步增加OLED使用量，從而顯著增加對散熱的需求。目前三星、華為等品牌廠商都在積極布局可折疊手機，并已發布上市，如Galaxy Fold、Huawei Mate X。

折疊屏手機

無線充電技術的發展對散熱也提出了較高需求。無線充電是指無需借助電導線，在發送端（無線充電器）和接收端（位于智能手機等設備中）用相應的設備發送和接收產生感應的交流信號來進行充電的一項技術。蘋果、三星、華為等領先品牌都已在旗艦機型上積極推出無線充電，根據Yole的數據，預計2018-2024年智能手機無線充電接收端銷量的復合增速將達32.4%。由于手機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，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。據中時電子報報道，由于OLED屏幕、Force Touch、無線充電及部份晶片的散熱需求，iPhone X對人造石墨散熱片用量為iPhone 8的2-4倍。

導熱材料

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

1.導熱膏

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

2.片狀導熱填充材料

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

3.相變化導熱界面材料

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

4.導熱凝膠

導熱凝膠（GEL）是一種凝膠狀態的導熱材料，相對于導熱墊片，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。陶氏化學最新研發的針對于手機電子元件熱管理的新型陶熙TC-3105有機硅導熱凝膠，可以涂覆在芯片的封裝表面，替代傳統的成品散熱墊，具有低成本、室溫下或電子元件發熱時固化從而提高接觸面積的特點。

5.石墨膜

導熱石墨膜是一種碳分子高結晶態組成的全新高導熱散熱材料，能沿X、Y兩個方向均勻高效導熱，且石墨的片層狀結構能適應多數表面，因此有著極佳的導熱功能。高導熱石墨膜平面內具有150~1700W/(m·K）的超高導熱率，具有柔軟、易加工的特點。溫度適用范圍廣，石墨層不老化和脆化，適用于大多數化學品介質，廣泛應用于智能手機、平板電腦等需要高散熱解決方案的電子產品

石墨性能參數

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

從原材料分，導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，導熱系數只有300-700W/(m·K）。人工石墨膜具備更加優秀的性能，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，導熱系數相較普通石墨散熱膜顯著提高。

隨著5G時代的到來，電子設備的核心零部件散熱需求顯著提升，對導熱石墨膜材料將提出更多新的要求，如厚度更薄、導熱性更好，以及可加工為3D結構產品等。由于石墨烯的導熱性能超高，約5300W/(m·K），石墨烯導熱膜的研制將會給散熱帶來大幅度提升，受制于生產工藝的影響，產能較低，研發進度較快的為華為實驗室，其旗艦機Mate 30 Pro 5G已應用石墨烯散熱膜，散熱性能大幅提升。