绝缘导热透波膜材在5G毫米波通讯电子产品元器件散热设计的探讨​

导语：5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起了这些部位发热量的急剧增加。BN氮化硼散热膜是当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域最为有效的散热材料，具有不可替代性。

本产品是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片，成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜，具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题，拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术，是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。

什么是5G?

一

定义

“5G”一词通常用于指代第5代移动网络。5G是继之前的标准（1G、2G、3G、4G 网络）之后的最新全球无线标准，并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外，5G有助于建立一个新的、更强大的网络，该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点，还可以连接一系列新设备，包括各种家用物品和机器。

公认的5G优势是：

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度（多Gbps）

•超低延迟

与前几代网络不同，5G网络利用在26GHz 至40GHz范围内运行的高频波长（通常称为毫米波）。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体，在这些高频下会遇到传输损耗，因此需要更高功率和更高效的电源。

5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心，满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验，超越现有移动宽带应用所支持的水平。

二

毫米波是关键技术

毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一，目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求，针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战，开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究，已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势：毫米波由于其频率高、波长短，具有如下特点：

频谱宽，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务；可靠性高，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，提供稳定的传输信道；方向性好，毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信；波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点：毫米波也有一个主要缺点，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸收，对材料非常敏感。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

什么是TIM热管理?

定义

热管理？顾名思义，就是对“热“进行管理，英文是：Thermal Management。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域，控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础，而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。

导热率，又称导热系数，反映物质的热传导能力，按傅立叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。热导率大，表示物体是优良的热导体；而热导率小的是热的不良导体或为热绝缘体。

5G手机以及硬件终端产品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，电子设备和许多其他高功率系统的性能和可靠性受到散热问题的严重威胁。要解决这个问题，散热材料必须在导热性、厚度、灵活性和坚固性方面获得更好的性能，以匹配散热系统的复杂性和高度集成性。

全球智能手机、平板电脑行业步入 5G 时代，随着智能手机对轻薄化、小型化设计的追求，手机内部集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小，其功率密度却快速增加；手机CPU频率正迅速提升，同时封装密度也越来越高、机身越来越薄，其功率密度却快速增加，但由于手机硬件配置的逐步提高、CPU多核高性能的升级，以及通信速率的提升，散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题，进而驱动对高散热性能材料的需求。

一旦散热问题处理得不好，就会造成智能手机卡顿、运行程序慢、烧坏主板甚至造成爆炸的危险，所以散热将成为整个智能手机行业面临的主要问题之一。

散热原理包括热传导、热对流和热辐射，其中热传导、热对流为主。热传导是直接接触带走热量，如电脑CPU散热片底座与CPU直接接触带走热量；常用电风扇原理是热对流，散热风扇带动气体流动进行散热；热辐射指的是依靠射线辐射传递热量。其中热传导和热对流是散热系统主要方式，热传导主要与散热器材料的导热系数和热容有关，热对流则主要与散热器的散热面积有关。

根据热传导和热对流方式不同，散热分为主动散热与被动散热两种方式。通常我们所说的被动散热，就是cpu只采用的是散热片，其气流通常由侧面安装的风扇完成推动工作；主动式散热是我们常见的方式，就是在散热片上面还加装了一个风机。目前台式电脑和笔记本电脑采用主动与被动结合的方式散热，手机终端、平板电脑等轻薄型消费电子受内部空间结构限制，多采用被动散热方案。材料种类及其特点在智能手机上主要的发热源包括这五个方面：主要芯片工作、LCD 驱动、电池释放及充电、 CCM 驱动芯片、PCB 结构设计导热散热量不均匀。

5G毫米波通讯产品电子元器件散热设计の探讨

1.元器件布局减小热阻的措施：
(1)元器件安装在最佳自然散热的位置上；
(2)元器件热流通道要短、横截面要大和通道中无绝热或隔热物；
(3)发热元件分散安装；

2.元器件排放减少热影响：
(1)有通风口的机箱内部，电路安装应服从空气流动方向：进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口，构成良好散热通道；
(2)发热元器件要在机箱上方，热敏感元器件在机箱下方，利用机箱金属壳体作散热装置。

3.合理布局准则：
(1)将发热量大的元件安装在条件好的地方，如靠近通风孔；
(2)将热敏元件安装在热源下面。零件安装方向横向面与风向平行，利于热对流。
(3)在自然对流中，热流通道尽可能短，横截面积应尽量大；
(4)冷却气流流速不大时，元件按叉排方式排列，提高气流紊流程度、增加散热效果；
(5)发热元件不安装在机壳上时，与机壳之间的距离应>35~40cm

4.冷却内部部件的空气进口须加过滤装置，且不必拆开机壳即可更换或清洗。

5.设计上避免器件工作热环境的稳定性，以减轻热循环与冲击而引起的温度应力变化。温度变化率不超过1℃/min，温度变化范围不超过20℃，此指标要求可根据产品不同由厂家自行调整。
6.元器件的冷却剂及冷却方法应与所选冷却系统及元件相适应，不会因此产生化学反应或电解腐蚀。

7.冷却系统的电功率一般为所需冷却热功率的3%一6%；

8.冷却时，气流中含有水分，温差过大，会产生凝露或附着，防止水份及其它污染物等导致电气短路、电气间隙减小或发生腐蚀。
措施：
a)冷却前后温差不要过大；
b)温差过大会产生凝露的部位，水分不会造成堵塞或积水，如果有积水，积水部位的材料不会发生腐蚀；
c)对裸露的导电金属加热缩套管或其他遮挡绝缘措施；