一代通信技術(shù)，一代手機(jī)形態(tài)，一代熱管理方案。通信技術(shù)的演進(jìn)，會(huì)持續(xù)引發(fā)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的變革，并推動(dòng)手機(jī)芯片和元器件性能快速提升。但與此同時(shí)，電子器件發(fā)熱量迅速增加，對手機(jī)可靠性和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從4G時(shí)代進(jìn)入5G時(shí)代，智能手機(jī)芯片性能、數(shù)據(jù)傳輸速率、射頻模組等都有著巨大提升，無線充電、NFC等功能逐漸成為標(biāo)配，手機(jī)散熱壓力持續(xù)增長。由于在散熱效率方面極具優(yōu)勢，均熱板（VC）逐漸成為5G手機(jī)散熱的主流方案，并加速向超薄化、結(jié)構(gòu)簡單化和低成本方向發(fā)展，技術(shù)迭代正在加速進(jìn)行。未來隨著5G終端產(chǎn)品進(jìn)一步放量，VC均熱板市場增長潛力巨大。

1、5G時(shí)代高功率、高集成、高熱量趨勢明顯，熱管理成為智能手機(jī)“硬需求”

2020年，5G技術(shù)邁向全面普及，消費(fèi)電子產(chǎn)品向高功率、高集成、輕薄化和智能化方向加速發(fā)展。由于集成度、功率密度和組裝密度等指標(biāo)持續(xù)上升，5G時(shí)代電子器件在性能不斷提升的同時(shí)，工作功耗和發(fā)熱量急遽升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子器件因熱集中引起的材料失效占總失效率的65-80%。為避免過熱帶來的器件失效，導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠、石墨導(dǎo)熱片、熱管和均熱板（VC）等技術(shù)相繼出現(xiàn)、持續(xù)演進(jìn)，散熱管理已經(jīng)成為5G時(shí)代電子器件的“硬需求”。

數(shù)據(jù)來源：埃米空間

（一）智能手機(jī)功耗持續(xù)提升，散熱需求水漲船高

4G時(shí)代，智能手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速度和處理能力相比2G、3G時(shí)代有顯著提升，AR、高清視頻、直播等應(yīng)用場景加速落地，人們對手機(jī)性能的要求越來越高，推動(dòng)手機(jī)硬件配置快速迭代。但與此同時(shí)，智能手機(jī)發(fā)熱的問題也越來越嚴(yán)重，手機(jī)發(fā)燙、卡頓和死機(jī)時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致主板燒壞乃至爆炸。

數(shù)據(jù)來源：Yole Development，EUCNC

根據(jù)EUCNC數(shù)據(jù)，LTE智能手機(jī)功耗主要來源于功率放大器、應(yīng)用處理器、屏幕和背光、信號(hào)收發(fā)器和基帶處理器。隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品向高集成、輕薄化和智能化方向發(fā)展，芯片和元器件體積不斷縮小，功率密度卻在快速增加，智能手機(jī)的散熱需求成為亟需解決的問題：

（1）芯片性能更高，四核、八核成為主流；

（2）柔性顯示、全面屏逐漸普及，2K/4K屏占領(lǐng)高端市場；

（3）內(nèi)置更多無線功能，例如NFC、GPS、藍(lán)牙和無線充電；

（4）機(jī)身越來越薄，封裝密度越來越高。

表1 手機(jī)主要熱量來源

隨著5G技術(shù)逐漸走向成熟，智能手機(jī)對散熱管理的需求再次大幅提升，主要表現(xiàn)為以下幾方面：
（1）5G手機(jī)射頻前端支持的頻段數(shù)量大幅增加，需采用Massive MIMO技術(shù)以增強(qiáng)信號(hào)接收能力，天線數(shù)量和射頻器件數(shù)量遠(yuǎn)超4G手機(jī)；
（2）5G手機(jī)芯片處理能力有望達(dá)到4G手機(jī)的5倍以上，手機(jī)發(fā)熱密度絕對值將是4G手機(jī)的2倍以上；
（3）5G信號(hào)穿透能力變?nèi)酰謾C(jī)機(jī)身材質(zhì)逐漸向陶瓷和聚合物轉(zhuǎn)變，加之5G手機(jī)越來越緊湊，導(dǎo)致散熱能力越來越弱。

（二）5G來襲發(fā)熱量劇增，散熱需求進(jìn)一步凸顯

通信制式及手機(jī)支持頻率

數(shù)據(jù)來源：Yole Development

表2 射頻前端價(jià)值對比測量

數(shù)據(jù)來源：中信證券研究部測算

此外，5G手機(jī)普遍采用基帶外掛的方案，相關(guān)電路和電源芯片也要增加，手機(jī)內(nèi)部功耗相應(yīng)增加；由于5G覆蓋范圍不足，導(dǎo)致手機(jī)頻繁啟動(dòng)5G信號(hào)搜索功能，發(fā)熱量也會(huì)變大。試驗(yàn)證明，溫度每升高2℃，電子元器件可靠性將下降10%，其在50℃環(huán)境下的壽命只有25℃的 1/6。由此可見，散熱器件是5G手機(jī)中不能省掉、必不可少的環(huán)節(jié)。    

（三）散熱解決方案多樣，導(dǎo)熱材料器件頻頻現(xiàn)身

一般而言，電子器件散熱有主動(dòng)散熱（降低手機(jī)自發(fā)熱量）和被動(dòng)散熱（加快熱量向外散出）兩種路線。其中，主動(dòng)散熱主要利用與發(fā)熱體無關(guān)的動(dòng)力元件強(qiáng)制散熱，一般應(yīng)用于高功率密度且體積相對較大的電子設(shè)備，如臺(tái)式機(jī)和筆記本中配備的風(fēng)扇、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的液冷散熱；被動(dòng)散熱則主要通過導(dǎo)熱材料和導(dǎo)熱器件將元器件產(chǎn)生的熱量釋放到環(huán)境中，是一種沒有動(dòng)力元件參與的散熱方式，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板、智能手表、戶外基站等。

表3 熱量傳遞方式及相關(guān)散熱解決方案

數(shù)據(jù)來源：埃米空間

電子器件散熱過程示意圖

數(shù)據(jù)來源：埃米空間

目前，電子器件使用的散熱技術(shù)主要包括石墨散熱、金屬背板、邊框散熱、導(dǎo)熱凝膠散熱等導(dǎo)熱材料，以及熱管、VC等導(dǎo)熱器件。其中，導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱硅脂、石墨片和金屬片主要在中小型電子產(chǎn)品使用，熱管和VC則主要用在筆記本、電腦、服務(wù)器等中大型電子設(shè)備中使用。

主要導(dǎo)熱材料（數(shù)據(jù)來源：中石科技招股說明書）

導(dǎo)熱系數(shù)和厚度是評估散熱材料的核心指標(biāo)。傳統(tǒng)手機(jī)散熱材料以石墨片和導(dǎo)熱凝膠等熱界面材料（TIM）為主，但是石墨片存在導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，TIM材料則存在厚度相對較大等問題。在手機(jī)廠商的推動(dòng)下，石墨烯材料持續(xù)取得突破，開始切入到消費(fèi)電子散熱應(yīng)用；熱管和VC厚度不斷降低，開始從電腦、服務(wù)器等領(lǐng)域滲透到智能手機(jī)領(lǐng)域。

不同散熱材料/器件的導(dǎo)熱效率

（數(shù)據(jù)來源：安信證券）

2、熱管/均熱板解決方案優(yōu)勢顯著，超薄均熱板技術(shù)迭代進(jìn)一步加速

熱管和均熱板利用熱傳導(dǎo)與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)較金屬和石墨材料有10倍以上提升，作為新興的散熱技術(shù)方案，近年來在智能手機(jī)領(lǐng)域開始獲得廣泛應(yīng)用。其中，熱管的導(dǎo)熱系數(shù)范圍為10000~100000 W/mK，是純銅膜的20倍，是多層石墨膜10倍；均熱板作為熱管技術(shù)的升級，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)的提升。

TGP（Thermal Ground Plane）

扁式熱管數(shù)據(jù)來源：日本FUJIKURA

（一）熱管/均熱板散熱能力強(qiáng)，5G手機(jī)終端快速普及

熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋構(gòu)成，將管內(nèi)抽成1.3×(10-1~10-2)Pa的壓強(qiáng)后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。吸液芯采用毛細(xì)微孔材料，利用毛細(xì)吸力（由液體表面張力產(chǎn)生）回流液體，管內(nèi)液體在吸熱段吸熱蒸發(fā)，冷卻段冷凝回流，循環(huán)帶走熱量。

熱管結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱機(jī)制示意圖

（數(shù)據(jù)來源：TECHBRIEFS官網(wǎng)）

從熱傳遞的三種方式來看（輻射、對流、傳導(dǎo)），對流傳導(dǎo)效率最高，因此熱管技術(shù)一經(jīng)誕生就迅速普及開來。1963年，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明熱管技術(shù)。此后，熱管技術(shù)迅速應(yīng)用于宇航、軍工等行業(yè)。隨著消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，熱管技術(shù)逐漸應(yīng)用于桌面電腦、筆記本、LED、平板電腦和手機(jī)中。

熱管的應(yīng)用領(lǐng)域

（數(shù)據(jù)來源：《Frontiers in Heat and Mass Transfer》）

熱管在不同領(lǐng)域的應(yīng)用

（數(shù)據(jù)來源：《Frontiers in Heat and Mass Transfer》）

均熱板工作原理與熱管類似，同樣包括傳導(dǎo)、蒸發(fā)、對流、冷凝四個(gè)主要步驟。兩者差別主要在于熱傳導(dǎo)方式不同。熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的，是線的熱傳導(dǎo)方式，而均熱板的熱傳導(dǎo)方式是二維的，是面的熱傳導(dǎo)方式。相對于熱管，首先均熱板與熱源以及散熱介質(zhì)的接觸面積更大，能夠使表面溫度更加均勻；其次使用均熱板可以使熱源和設(shè)備直接接觸降低熱阻，而熱管則在熱源和熱管間需要嵌入基板；最后均熱板更加輕薄，更能夠適應(yīng)手機(jī)集成化、輕量化的趨勢。相關(guān)研究表明，VC散熱器的性能比熱管提高20%~30%。

VC均熱板與熱管的散熱機(jī)制

（數(shù)據(jù)來源：安信證券）

不同種類的VC均熱板

（數(shù)據(jù)來源：TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY）

隨著5G手機(jī)功耗持續(xù)升高，對整機(jī)散熱能力的要求不斷提升，均熱板/超薄均熱板的應(yīng)用開始激增。4G時(shí)代高端手機(jī)普遍采用熱管技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速散熱。進(jìn)入5G時(shí)代，手機(jī)廠商開始廣泛應(yīng)用均熱板技術(shù)，進(jìn)一步提升智能手機(jī)的散熱效率。

雖然熱管和均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)更高，但是原理是加快熱量從手機(jī)發(fā)熱部件轉(zhuǎn)移到環(huán)境中的速度，最終散熱效果還是要看散熱材料與空氣之間的熱對流。因此，散熱材料的熱特性對手機(jī)散熱效果有著不可忽視的影響。目前，“散熱片（石墨烯膜/石墨片）+熱管/均熱板”的整體解決方案逐漸被市場所認(rèn)可。

（二）均熱板產(chǎn)品快速迭代，技術(shù)方案持續(xù)演進(jìn)

均熱板與熱管的區(qū)別，還在于器件結(jié)構(gòu)的差異。傳統(tǒng)的兩層均熱板制作流程為在銅基的基礎(chǔ)上燒結(jié)支柱和燈芯結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行銅焊、灌水并密封，最后釬焊周邊，形成穩(wěn)固的均熱板。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，和不同應(yīng)用場景對器件大小、性能的要求，均熱板制作工藝和結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化升級，相關(guān)產(chǎn)品快速迭代。

VC均熱板結(jié)構(gòu)示意圖

（數(shù)據(jù)來源：互聯(lián)網(wǎng)）

近年來，VC均熱板技術(shù)演進(jìn)方向主要集中于以下幾個(gè)方面：一是均熱板選材多樣化，受益于中框-VC一體化散熱解決方案，不銹鋼VC嶄露頭角；二是封裝工藝正在變革，激光封裝有望替代鍍銅釬焊封裝制程；三是超薄VC銅網(wǎng)燒結(jié)毛細(xì)制程有望被打破，毛細(xì)制程多樣化，印刷毛細(xì)與半導(dǎo)體光罩蝕刻毛細(xì)嶄露頭角；四是厚度進(jìn)一步下探，VC均熱板有望薄至0.3mm以下。

此外，自動(dòng)化正在成為VC均熱板制程發(fā)展的必然趨勢，注水除氣、插鼠尾、置銅網(wǎng)等關(guān)鍵工序?qū)?shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。未來幾年，VC均熱板生產(chǎn)將逐步集中于手機(jī)精密機(jī)構(gòu)件供應(yīng)鏈頭部廠家，促進(jìn)自動(dòng)化的普及。相比之下，自動(dòng)化程度高的均熱板生產(chǎn)企業(yè)將獲得競爭優(yōu)勢，市場競爭將進(jìn)一步加劇。

一種超薄均熱板

（數(shù)據(jù)來源：Trivision Etching Technoogy）

3、總 結(jié)

根據(jù)Yole Development預(yù)測，2019-2025年間5G手機(jī)銷量將以72%的復(fù)合增長率擴(kuò)張；到2025年，5G手機(jī)市場份額將占總市場份額的30%左右；屆時(shí)，支持毫米波頻段的5G手機(jī)將占全部5G手機(jī)的13%。盡管受疫情影響，2020年第一季度全球智能手機(jī)出貨量2.758億臺(tái)，同比下降11.7%。但高通對全年5G手機(jī)出貨量較為樂觀，維持2020年5G手機(jī)出貨預(yù)測在1.75億至2.25億部不變。

數(shù)據(jù)來源：Yole Development

隨著5G通信技術(shù)不斷走向成熟，5G手機(jī)終端開始放量，VC均熱板將迎來爆發(fā)性增長。假設(shè)VC均熱板在5G手機(jī)中的滲透率達(dá)到30%，單片VC均熱板價(jià)值15元人民幣，則2025年全球手機(jī)VC均熱板市場將達(dá)到90億元人民幣以上。受此驅(qū)動(dòng)，VC均熱板技術(shù)迭代加速，新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝將不斷涌現(xiàn)，自動(dòng)化程度繼續(xù)提升，國際競爭日趨激烈。

比熱管還高級？VC均熱板真的好用嗎？

01 新興的VC均溫板

熱管雖然非常適合筆記本和手機(jī)這類超輕薄的移動(dòng)設(shè)備，但在“瘦身風(fēng)潮”肆虐的當(dāng)下，無論是游戲本還是游戲手機(jī)也都以更性感的身材為榮，有限的內(nèi)部空間用于很難安置更多、更長和更粗的熱管。

因此，業(yè)內(nèi)迫切需要一種比熱管導(dǎo)熱效率更高的散熱部件。于是，名為VC（Vapor Chamber）的“均熱板”（又稱“均溫板”）便出現(xiàn)了。

02 VC均熱板的散熱原理

作為筆記本和智能手機(jī)的新型散熱方式，VC均熱板同樣屬于相變導(dǎo)熱的代表，也是由純銅打造的內(nèi)部密封且中空（內(nèi)壁不光滑，布滿毛細(xì)結(jié)構(gòu)），并填充冷凝液的散熱單元，只是它的形態(tài)并非熱管的扁平“條狀”，而是呈現(xiàn)出更寬的扁平“片狀”。

VC均熱板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

VC均熱板的工作原理和熱管有相似也有不同，但大體上都包含傳導(dǎo)→蒸發(fā)→對流→凝固四個(gè)步驟。

首先，發(fā)熱源（芯片）運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至VC均熱板的蒸發(fā)端，內(nèi)部的冷凝液會(huì)迅速吸收這些熱量并轉(zhuǎn)化為蒸氣，從而帶走大量的熱能。由于水蒸氣的潛熱性，VC均熱板的熱蒸汽會(huì)由高壓區(qū)擴(kuò)散到低壓區(qū)（冷凝端），當(dāng)蒸汽接觸溫度較低的內(nèi)壁時(shí)會(huì)迅速凝結(jié)為液體并釋放熱能。最后，這些液體會(huì)利用毛細(xì)作用流回蒸發(fā)端，最終形成一個(gè)水氣并存的雙相循環(huán)系統(tǒng)。

熱管的散熱原理

熱管和VC均熱板的差異主要表現(xiàn)在內(nèi)部的傳導(dǎo)方式方式上。熱管受制于“條狀”形態(tài)，熱量（熱蒸汽）只能在左右兩個(gè)方向上進(jìn)行線性傳導(dǎo)。此外，在熱管和發(fā)熱源（芯片）之間往往還需嵌入一層散熱基板，后者的材質(zhì)、面積和填充物也會(huì)影響一定的導(dǎo)熱效率。

VC均熱板的工作原理

反觀VC均熱板，得益于其“片狀”的形態(tài)，熱量可以向多個(gè)水平方向傳導(dǎo)，冷凝的效率更高，而且它與熱源以及散熱介質(zhì)的接觸面積更大，能夠使表面溫度更加均勻。由于VC均熱板和能與發(fā)熱源直接接觸無需基板，還可進(jìn)一步降低熱阻。總之，更大面積的VC均熱板可以更好地減少熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)芯片下的等溫性，較之熱管可以做得更薄，在水平方向上的散熱性能堪稱完美。因此，這種導(dǎo)熱單元更加符合目前筆記本和智能手機(jī)輕薄化、空間利用最大化的發(fā)展趨勢。

03 VC與熱管的混合應(yīng)用

相對于熱管而言，VC均熱板的成本更高，所以它很難在筆記本領(lǐng)域迅速普及，但在高端智能手機(jī)身上卻已經(jīng)有了燎原的趨勢。為了進(jìn)一步提升散熱效率，無論是手機(jī)還是PC領(lǐng)域還出現(xiàn)了熱管和VC均熱板混搭的案例。

在PC領(lǐng)域，熱管和VC混搭常見于CPU散熱器，很多散熱器與CPU接觸的部分就是VC均熱板，而且它們還實(shí)現(xiàn)了均熱板與熱管的無縫結(jié)合，冷凝液和熱蒸汽可以在這兩種導(dǎo)熱單元之間循環(huán)，從最大限度挖掘出了蒸汽→液體→蒸汽的高效導(dǎo)熱特性。

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