智能與5G時代電子產品散熱需求大增,石墨烯散熱膜出現井噴現象
★電子設備單位功耗持續提升,散熱的重要性不斷提升
★業界領先的散熱黑科技:石墨烯
★錦富技術穩步推進高性能石墨烯散熱膜項目;
(一)電子設備單位功耗持續提升,散熱的重要性不斷提升
高溫對多數元器件將產生嚴重影響,使得大多數電子元器件性能改變甚至失效,從而引起整個電子設備的故障。一方面,電子元件的10℃法則;顯示,電子元件的故障發生率隨工作溫度的提高呈指數增長,溫度每升高10℃,系統可靠性降低50%。另一方面,熱失效是電子設備失效的最主要原因,電子設備失效有55%是因為溫度過高引起。電子設備在運行過程中會不斷產生熱量堆積在體內,因此在電子設備內部施加散熱手段,使設備保持在合適溫度非常重要。
在電子設備高性能、小型化發展趨勢下,及時散熱挑戰提升,散熱設計在電子設備開發中重要性加大。隨著集成電路工藝、集成度、工作速度提升,電子設備朝小型化發展、元件密度增大、電源續航能力提高,電子設備系統功耗增加,單位體積產生的熱量持續上升。以智能手機為例,其處理器功耗不斷增加,而機身厚度的不斷壓縮,電子設備面臨的散熱挑戰不斷加大,散熱設計重要性持續提升。
以5G手機為例,功能創新帶來功耗提升,散熱需求隨之升級。主要發熱源為處理器、電池、攝像頭、LED模組,5G手機需要支持更多的頻段和實現更復雜的功能,天線數量翻倍,射頻前端增加,處理器性能提升,同時智能手機向大屏折疊屏、多攝高清攝升級、大功率快充升級,使得手機內集成的功能模塊更多更緊密。5G手機芯片功耗約11W,約是4G手機的2.5倍,散熱需求強烈。目前4G廣泛應用的散熱材料有石墨片、導熱界面材料等,受制于其導熱系數的極限,已經很難滿足5G手機需求。
變化因素 | 5G 零部件升級 | 5G 相對 4G 導熱增量需求 |
芯片計算效率提升 | 5G芯片處理能力有望達到 4G芯片的5倍,耗電達2.5倍 | 處理器、CMOS 圖像處理器等芯片發熱密度和熱量絕對值明顯增加 |
頻段、帶寬增加 | 5G 智能手機天線數量可達 4G 手機的 5-10 倍,數據速率、頻段明顯提升 | 天線、射頻前端等器件對散熱在工藝、材料、性能上提出更高要求 |
電磁信號強度高 | 玻璃、陶瓷等非金屬材料機殼替代存在電磁干擾問題的金屬機殼 | 玻璃、陶瓷等非金屬材料導熱能力、散熱性能比金屬差, 需要數量更多、更有效的導熱器件 |
防水性能升級 | 內部零部件與整機結構具有更高的密封性 | 封閉狀態 |
輕薄化 | 內部器件集成化、模組化 | 內部器件更加緊湊、內部電磁信號干擾更嚴重,需要加強散熱 |
屏占比提升、無線充電 | 全面屏、無線充電增加了散熱量,減小了整機內部空間 | 散熱需求增加 |
拍攝性能升級 | 后置雙攝、三攝成為趨勢,前置人臉識別采用結 構光方案,手機發熱模組和發熱密度大幅提升 | 散熱需求明顯提升 |
(二)業界領先的散熱黑科技:石墨烯
石墨烯(Graphene)是2004年用微機械剝離法從石墨中分離出的一種由碳原子以雜化軌道組成六角型、呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯完美的結構賦予其超強導電性、良好的熱傳導性、良好的透光性及高柔性和高強度等材料特性,在新能源電池、涂料、柔性屏和傳感器等領域的應用十分廣泛。石墨烯上游為石墨、下游應用主要分為兩個方面:一是石墨烯粉體,多摻雜在其他材料中使用,多應用于涂料和新能源電池領域;二是石墨烯薄膜,薄膜因為透明、導電、柔性好等優點,在散熱材料、柔性顯示和傳感器等領域的應用十分廣泛,具有很好的發展前景。
2018年,華為推出的mate20 X手機首次采用了石墨烯散熱膜和液冷散熱片組合的散熱系統,而同年推出的蘋果iPhone XS Max手機主板采用三層疊加封裝技術,利用常規石墨散熱膜和金屬邊框組合來散熱,三星Note 9設置了水碳冷卻散熱系統,即通過儲水銅制熱管和碳纖維 TIM(熱界面材料)組合來散熱。實測數據證明華為mate20 X手機的散熱效果遠優于其他兩款手機;在2020年一季度發布的5G手機中,OPPO、小米、vivo、三星、中興等品牌依然較多采用VC均熱板+超薄熱管的散熱方式,但華為堅持采用石墨烯散熱膜來散熱,并將其應用拓展到了平板電腦領域,目前華為Mate 20 X到Mate 30 Pro至華為P40系列及華為MatePad Pro 5G平板電腦都采用了石墨烯散熱技術;2020年2月發布的小米10,則采用了石墨烯散熱膜/VC/多層石墨片的立體式散熱方案。隨著智能手機散熱技術的不斷更迭和進步,石墨烯散熱膜技術在5G時代已逐漸成為主流的散熱技術。而隨著手機柔性、可折疊趨勢的興起,石墨烯散熱膜憑借其優異的熱導性能及柔韌性,必將隨著未來5G智能手機的發展在眾多散熱技術方案中脫穎而出,迎來高速發展。
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