5G手機散熱材料（技術）和國內外生產廠家梳理

       散熱材料和技術當前主要被應用在消費電子、通信設備、新能源汽車、工業、醫療、數據中心等領域。其中消費電子和通信設備領域應用需求最大，市場占比較超過80%。隨著智能手機、計算機、可穿戴設備等消費電子產品配置升高，消費電子產品硬件不斷升級，硬件的升級對散熱性能提出了更高的要求，推動散熱材料需求擴增。以智能手機為例，5G手機在內部硬件配置和整體架構設計上，與傳統4G手機有很大的不同，5G手機無論是從芯片、天線設計、存儲空間及速度還是空間布局、相素等，都較4G手機具有明顯提升。這些硬件的堆砌將為手機尺寸在更緊湊化的趨勢下帶來更高的發熱量，手機散熱需求也愈發苛刻。目前，手機散熱技術各不相同，所以一般為了讓手機散熱性能更強，旗艦手機就會采用組合方式將這些散熱材料和技術搭配使用，優勢互補。

       以手機芯片為例，4G手機的芯片功率為1W-2W，導熱凝膠、石墨片、手機中框等均可實現散熱。但5G手機芯片最大功率將達到5W-7W，傳統的石墨片難以解決，催生新的材料，如石墨烯、超薄熱管、超薄均熱板等材料。如下表所示，更多的手機廠商采用了多種散熱方式結合來進行手機的散熱，隨著石墨烯技術逐漸成熟，均熱板散熱成本減低，預計未來此種復合方案應用比例會進一步提高。

部分5G手機的散熱方案對比

       同時，未來電子設備小型化趨勢促使散熱材料和技術向多功能發展。在保證高導熱能力的同時還可兼顧電磁屏蔽、濾波、儲熱等功能，實現散熱材料功能的最大化。例如，階段智能手機多采用玻璃（1.09 W/m·K）、陶瓷（20 W/m·K）、合金（236 W/m·K）和塑料（0.65 W/m·K）作為外殼材料。在導熱性能方面，玻璃、陶瓷和塑料比合金差，手機內部需填充更多導熱材料才可達到合金外殼手機同等散熱效果，但是金屬材料會對手機信號造成干擾。在5G時期，采用Massive MIMO技術，手機天線數量將從4G時代的2-4根變為8根甚至16根，由于電磁波會被金屬屏蔽，在5G天線數量增多以及電磁波穿透能力變弱的情況下，金屬外殼已經不再適用。手機外殼是手機的兩條重要傳熱路徑之一，在5G手機外殼非金屬化時代下，很大程度上增加了散熱材料和技術的熱管理方案的設計難度。以下筆者簡要梳理了目前主流的手機散熱材料和散熱技術的技術特點，及各材料或技術的優點和缺點。

 一、熱界面材料
1.1 導熱凝膠
       導熱凝膠是一種較為新穎的熱界面材料。其作用機制是將還未固化的液態聚合物通過用手動或自動的方式填入電子設備的界面之中，然后再在一定條件下固化成熱固性聚合物材料，從而實現最大程度地貼合兩相界面，減少空隙。一般的導熱凝膠是由高導熱的填料與高分子基體組合而成。根據導熱填料是否導電能夠將導熱凝膠分為兩類：絕緣導熱凝膠（如AlN/環氧膠）以及導電導熱凝膠（如銀粉/環氧膠）。制備導熱凝膠所使用的高分子樹脂基體主要有有機硅、聚氨酯、環氧以及其他類的導熱凝膠。
       優點：對比導熱墊片，導熱凝膠更加柔軟，表面親和力更強，在外力下可將導熱凝膠壓縮到0.1mm，因此設備使用起來可以避免產生內應力。對比導熱膏，導熱凝膠操作更加簡便，導熱膏一般使用絲網印刷或直接刷涂，影響環境，并且具有流動性可能導致電路板短路，導熱凝膠可以成型為任意形狀，對于不規則界面也能確保緊密接觸。另外，導熱凝膠在使用中可以很好地附著在固體表面，無滲油和干燥問題，具有耐高溫，耐老化，可靠性高的特點，可在-40-150℃溫度范圍內長期工作。
       缺點：導熱凝膠使用中需要進行固化步驟，其熱導率比導熱膏低，另外導熱凝膠的粘結性能較弱，使用過程中可能導致分層現象，影響電子設備有效散熱。 

導熱凝膠

1.2 冰巢散熱——相變材料

       相變材料是一種具有良好導熱性能的相變材料的總稱，是指能夠隨著溫度的變化由固態變成液態，并能夠降低界面熱阻實現熱量傳遞的一種復合材料。相變材料通常在50-80 ℃范圍內熔化，并具有多種填料結構配置以增強其導熱性。相變材料的熔點通常被設計為低于電子元器件的最高工作溫度，如果相變溫度較低，當環境溫度過高時，相變材料發生相變的可能性就會增加。相變材料分為無機類相變材料、有機類相變材料和混合類相變材料，其中石蠟是常見的一種相變材料，向石蠟中填充導熱填料能夠制備出導熱性能較好的相變材料。

       優點：相變材料綜合了導熱膏和導熱墊片各自的優點，在溫度到達其相變點前，它具有和導熱墊片不相上下的彈性及塑性，不會出現被擠出的現象；隨著產熱元件的工作溫度逐漸升高，當溫度達到相變材料的熔點以上時，相變材料就會發生相變成為液態，這個時候和導熱膏類似, 他能夠充分地填充界面之間的空隙，從而極大程度地降低了界面之間的熱阻。

       缺點：相變材料的熱導率比導熱膏低。另外，在使用過程中，由于要求利用一定的壓力作用來增加其傳熱效率，因此也會導致其機械應力的增加。

相變材料

       熱界面材料上游包括玻璃纖維、硅膠、氧化鋁、樹脂材料等，這些材料大部分市場供應充足，不存在稀缺性，因此熱界面材料下游應用十分廣泛，主要包括通信設備、電子設備、汽車和家用電器等領域。熱界面材料供應商主要有萊爾德、德國漢高、固美麗、道康寧、信越化學、富士等，占據90%以上的市場份額。我國企業在熱界面材料方面起步較晚，中石科技、飛榮達等在熱界面材料方面有一定產品積累，在導熱膏與導熱墊片領域的產品較為成熟，已初步完成產業化產品及體系認證并實現批量供貨，但高技術含量高附加值的相變材料與導熱凝膠產品還處于摸索階段。
二、石墨片/石墨烯
       石墨是相較于銅和鋁等金屬更好的導熱材料，主要原因在于石墨具有特殊的六角平面網狀結構，可以將熱量均勻地分布在二維平面并有效地轉移。石墨烯又稱單層石墨，具有快速導熱特性和散熱特性，是現階段已知導熱系數最高的導熱材料，其理論導熱系數高達 5300W/m·K。
2.1 石墨片/膜
       石墨片/膜是一種碳分子高結晶態組成的導熱材料，由于具有獨特晶粒取向，石墨片可沿兩個方向（X-Y軸）散熱。在水平方向上，石墨的導熱系數為300~1900 W/m·K，而銅和鋁的導熱系數約為200~400 W/m·K。在垂直方向上，石墨的導熱系數僅為5~20 W/m·K。因此，石墨具備良好的水平導熱、垂直阻熱效果。同時，石墨的比熱容與鋁相當，約為銅的2倍，這意味著吸收同樣的熱量后，石墨溫度升高僅為銅的一半。石墨片可分為天然石墨片和人工石墨片：天然石墨片有導熱性良好、柔軟易加工、無氣味和液體滲透性等特點，但天然石墨片難以加工成薄片，在電子設備中會占用較大空間且與人工石墨片相比導熱性能較低。人工石墨膜導熱性能遠高于天然石墨，散熱速度極快輕薄，可有效節省空間, 由聚酰亞胺（PI 膜）經過碳化和石墨化制成, 是當前最薄的散熱材料，最薄可做到0.01mm。
      優點：基于高導熱系數、高比熱容和低密度等性能優勢，石墨片目前是手機等消費電子產品的主流散熱材料。缺點：石墨片相對較厚，不利于消費電子產品小型化，薄型化的要求。石墨膜的上游高端聚酰亞胺材料掌控在國外廠商手中。

石墨片/膜

2.2 石墨烯

       石墨烯是已知的導熱系數最高的物質，理論導熱率達到 5300W/m·K，遠高于石墨。它是由單層碳原子經電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，厚度僅為 0.335nm，又稱為單層石墨，是碳納米管、富勒烯的同素異形體。利用石墨烯制成的高導熱石墨烯散熱片具有極高的導熱率和熱輻射系數，應用于智能手機、電腦等電子產品中，可有效提升設備性能、提高設備使用壽命。同時，石墨烯還可被用于制作復合材料，生成熱導纖維和導熱塑料。石墨烯所形成的導熱塑料具有散熱性能好、成本低、重量輕、易生產等優勢，可用于電子產品塑料外殼生產等領域。

       優點：石墨烯的快速導熱特性與快速散熱特性，使其成為傳統石墨散熱膜的理想替代材料。

       缺點：新興技術，成本較高，大尺寸薄膜制備難題正在逐步攻克。

石墨烯

       石墨片是消費電子領域的主流材料，智能手機中主要使用人工合成石墨片/膜，用量視手機性能和要求而定，大概在3~6片，使用到的部件包括鏡頭、CPU、OLED顯示屏、WiFi 天線、無線充電器和電池等。目前石墨片/膜行業主要參與者為日本松下、美國 Graftech、日本 Kaneka、碳元科技、中石科技和飛榮達等。日本松下和美國 Graftech 進入該領域較早，技術成熟，主打高端市場。國內碳元科技、中石科技和飛榮達等已經進入三星、華為等主要手機廠商的供應鏈。由于石墨片行業進入門檻相對較低，普通石墨片產品的單價有一定壓力，行業往高導熱率，質量輕，可塑性好的石墨烯升級。
三、熱管/均熱板
       熱管和均熱板（Vapor Chamber，VC，真空腔均熱板散熱技術）是電子產品中常用的散熱強化部件，導熱系數非常高，在高功率或高集成度電子產品中應用廣泛。
3.1 熱管
       液冷散熱依賴的是一種叫做「熱管」的元件，熱管本質上是含有液體的中空閉合管道，液體在管路的蒸發段蒸發吸熱，成為氣體，到管路的冷凝段冷凝成液體放熱。電腦端的液冷散熱中的冷卻液常用材料是水，手機端要求較PC端更高，常用優質材料作為冷卻液。
       優點：液冷散熱的優點在于使用壽命長和設置靈活，同時因為技術相對成熟，成本也比較小一些。
       缺點：熱管為一維線性熱傳導，無法實現面上二維散熱模式，價格比石墨片貴。 

熱管

3.2 均熱板

       均熱板（VC）散熱又稱真空腔均熱板散熱技術，是一個內壁具有微細結構的真空腔體，通常由銅制成。當熱量由熱源傳導至VC腔體時，腔體里的冷卻液受熱后開始產生氣化現象，液體氣化吸熱，凝結后的冷卻液會借由微結構的毛細管道（整個循環的驅動力是毛細力）再回到蒸內發熱源處，此過程可以不斷反復進行。

       優點：VC均熱板是目前最新的第三代散熱技術，可以被看作熱管的升級技術，不同于熱管的一維熱傳導， VC均熱板升級到整個面，可以更快地將熱量從二維面上帶走。

       缺點：均熱板會隨不同電子元器件尺寸的大小而有不同的設計，制作工藝相較復雜，制作成本較高。

均熱板

       熱管技術成熟較早，在計算機、投影儀等領域廣泛應用，目前超薄的熱管已經應用到手機終端。均熱板成本較高且超薄款工藝難度較高，目前在手機端的應用還僅配置在旗艦款手機上。目前熱管和均熱板的主要供應商為中國臺灣廠商，包括雙鴻、超眾、泰碩等，覆蓋全球主流的服務器、計算機和手機廠商等下游客戶。國內方面，碳元科技于 2018年投資設立常州碳元熱導科技有限公司，主要從事超薄熱管/均熱板及相關材料的研發和生產。飛榮達于2018年收購昆山品岱 55%股權，擁有熱管/均熱板生產能力。

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