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向欣电子

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专注新材料BEST Innovation Solution材料应用解决方案为客户创造最大的价值。

手机散热问题及解决方案の交流探讨

01-12 112浏览量
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?

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。

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。

 

 

5G时代高功率、高集成、高热量趋势明显,热管理成为智能手机“硬需求”

     一代通信技术,一代手机形态,一代热管理方案。通信技术的演进,会持续引发移动互联网应用场景的变革,并推动手机芯片和元器件性能快速提升。但与此同时,电子器件发热量迅速增加,对手机可靠性和移动互联网发展带来了严峻挑战。从4G时代进入5G时代,智能手机芯片性能、数据传输速率、射频模组等都有着巨大提升,无线充电、NFC等功能逐渐成为标配,手机散热压力持续增长。5G手机散热的主流方案,高导热材料、并加速向超薄化、结构简单化和低成本方向发展,技术迭代正在加速进行。未来随着5G终端产品进一步放量,TIM市场增长潜力巨大。

 

2020年,5G技术迈向全面普及,消费电子产品向高功率、高集成、轻薄化和智能化方向加速发展。由于集成度、功率密度和组装密度等指标持续上升,5G时代电子器件在性能不断提升的同时,工作功耗和发热量急遽升高。据统计,电子器件因热集中引起的材料失效占总失效率的65-80%。为避免过热带来的器件失效,导热硅脂、导热凝胶、石墨导热片、热管和均热板(VC)等技术相继出现、持续演进,散热管理已经成为5G时代电子器件的“硬需求”。

(一)智能手机功耗持续提升,散热需求水涨船高
4G时代,智能手机数据传输速度和处理能力相比2G、3G时代有显著提升,AR、高清视频、直播等应用场景加速落地,人们对手机性能的要求越来越高,推动手机硬件配置快速迭代。但与此同时,智能手机发热的问题也越来越严重,手机发烫、卡顿和死机时有发生,严重时甚至会导致主板烧坏乃至爆炸。

 

根据EUCNC数据,LTE智能手机功耗主要来源于功率放大器、应用处理器、屏幕和背光、信号收发器和基带处理器。随着消费电子产品向高集成、轻薄化和智能化方向发展,芯片和元器件体积不断缩小,功率密度却在快速增加,智能手机的散热需求成为亟需解决的问题:

(1)芯片性能更高,四核、八核成为主流;

(2)柔性显示、全面屏逐渐普及,2K/4K屏占领高端市场;

(3)内置更多无线功能,例如NFC、GPS、蓝牙和无线充电;

(4)机身越来越薄,封装密度越来越高。
表1 手机主要热量来源

 
随着5G技术逐渐走向成熟,智能手机对散热管理的需求再次大幅提升,主要表现为以下几方面:
(1)5G手机射频前端支持的频段数量大幅增加,需采用Massive MIMO技术以增强信号接收能力,天线数量和射频器件数量远超4G手机;
(2)5G手机芯片处理能力有望达到4G手机的5倍以上,手机发热密度绝对值将是4G手机的2倍以上;
(3)5G信号穿透能力变弱,手机机身材质逐渐向陶瓷和聚合物转变,加之5G手机越来越紧凑,导致散热能力越来越弱。
 
(二)5G来袭发热量剧增,散热需求进一步凸显
通信制式及手机支持频率

 

表2 射频前端价值对比测量

此外,5G手机普遍采用基带外挂的方案,相关电路和电源芯片也要增加,手机内部功耗相应增加;由于5G覆盖范围不足,导致手机频繁启动5G信号搜索功能,发热量也会变大。试验证明,温度每升高2℃,电子元器件可靠性将下降10%,其在50℃环境下的寿命只有25℃的 1/6。由此可见,散热器件是5G手机中不能省掉、必不可少的环节。    
(三)散热解决方案多样,导热材料器件频频现身
一般而言,电子器件散热有主动散热(降低手机自发热量)和被动散热(加快热量向外散出)两种路线。其中,主动散热主要利用与发热体无关的动力元件强制散热,一般应用于高功率密度且体积相对较大的电子设备,如台式机和笔记本中配备的风扇、数据中心服务器的液冷散热;被动散热则主要通过导热材料和导热器件将元器件产生的热量释放到环境中,是一种没有动力元件参与的散热方式,广泛应用于手机、平板、智能手表、户外基站等。
表3 热量传递方式及相关散热解决方案

 
电子器件散热过程示意图
 
目前,电子器件使用的散热技术主要包括石墨散热、金属背板、边框散热、导热凝胶散热等导热材料,以及热管、VC等导热器件。其中,导热凝胶、导热硅脂、石墨片和金属片主要在中小型电子产品使用,热管和VC则主要用在笔记本、电脑、服务器等中大型电子设备中使用。
 

主要导热材料

导热系数和厚度是评估散热材料的核心指标。传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等热界面材料(TIM)为主,但是石墨片存在导热系数相对较低,TIM材料则存在厚度相对较大等问题。在手机厂商的推动下,石墨烯材料持续取得突破,开始切入到消费电子散热应用;热管和VC厚度不断降低,开始从电脑、服务器等领域渗透到智能手机领域。
 

不同散热材料/器件的导热效率
 
2019年12月,OPPO在新发布的Reno3 Pro 5G手机中,采用了“VC液冷散热+多层石墨片覆盖”的立体液冷散热系统。其中,定制版柔性屏上覆盖了一层铜箔和双层石墨片,将屏幕的热能均匀传导出去。导热凝胶将处理器附近的热能传导至VC,并通过VC内的液体进行热传导和降温。中框及电池盖均覆盖了3层石墨片,进一步加强散热。

 

OPPOReno 3 Pro散热模组示意图

热管/均热板解决方案优势显著,超薄均热板技术迭代进一步加速   

热管和均热板利用热传导与致冷介质的快速热传递性质,导热系数较金属和石墨材料有10倍以上提升,作为新兴的散热技术方案,近年来在智能手机领域开始获得广泛应用。其中,热管的导热系数范围为10000~100000 W/mK,是纯铜膜的20倍,是多层石墨膜10倍;均热板作为热管技术的升级,进一步实现了导热系数的提升。

TGP(Thermal Ground Plane),扁式热管
 
(一)热管/均热板散热能力强,5G手机终端快速普及
热管一般由管壳、吸液芯和端盖构成,将管内抽成1.3×(10-1~10-2)Pa的压强后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),根据应用需要在两段中间可布置绝热段。吸液芯采用毛细微孔材料,利用毛细吸力(由液体表面张力产生)回流液体,管内液体在吸热段吸热蒸发,冷却段冷凝回流,循环带走热量。

热管结构与导热机制示意图
从热传递的三种方式来看(辐射、对流、传导),对流传导效率最高,因此热管技术一经诞生就迅速普及开来。1963年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室发明热管技术。此后,热管技术迅速应用于宇航、军工等行业。随着消费电子产业的发展,热管技术逐渐应用于桌面电脑、笔记本、LED、平板电脑和手机中。

热管的应用领域
 

热管在不同领域的应用
 
均热板工作原理与热管类似,同样包括传导、蒸发、对流、冷凝四个主要步骤。两者差别主要在于热传导方式不同。热管的热传导方式是一维的,是线的热传导方式,而均热板的热传导方式是二维的,是面的热传导方式。相对于热管,首先均热板与热源以及散热介质的接触面积更大,能够使表面温度更加均匀;其次使用均热板可以使热源和设备直接接触降低热阻,而热管则在热源和热管间需要嵌入基板;最后均热板更加轻薄,更能够适应手机集成化、轻量化的趋势。相关研究表明,VC散热器的性能比热管提高20%~30%。

VC均热板与热管的散热机制
 

 

不同种类的VC均热板
随着5G手机功耗持续升高,对整机散热能力的要求不断提升,均热板/超薄均热板的应用开始激增。4G时代高端手机普遍采用热管技术来实现快速散热,如LG V40等型号手机。进入5G时代,LG等手机厂商开始广泛应用均热板技术,进一步提升智能手机的散热效率。而小米在最新的旗舰手机Xiaomi 10中,更是应用了迄今为止市面上最大的手机用VC均热板。

LGV40、LG 5G、小米10 Pro采用的散热器件
虽然热管和均热板的导热系数更高,但是原理是加快热量从手机发热部件转移到环境中的速度,最终散热效果还是要看散热材料与空气之间的热对流。因此散热材料的热特性对手机散热效果有着不可忽视的影响。目前,“散热片(石墨烯膜/石墨片)+热管/均热板”的整体解决方案逐渐被市场所认可。
(二)均热板产品快速迭代,技术方案持续演进
均热板与热管的区别,还在于器件结构的差异。两层均热板制作流程为在铜基的基础上烧结支柱和灯芯结构,然后进行铜焊、灌水并密封,最后钎焊周边,形成稳固的均热板。随着技术的发展,和不同应用场景对器件大小、性能的要求,均热板制作工艺和结构不断优化升级,相关产品快速迭代。

VC均热板结构示意图)
近年来,VC均热板技术演进方向主要集中于以下几个方面:一是均热板选材多样化,受益于中框-VC一体化散热解决方案,不锈钢VC崭露头角;二是封装工艺正在变革,激光封装有望替代镀铜钎焊封装制程;三是超薄VC铜网烧结毛细制程有望被打破,毛细制程多样化,印刷毛细与半导体光罩蚀刻毛细崭露头角;四是厚度进一步下探,VC均热板有望薄至0.3mm以下。
 

红米K30Pro首次采用不锈钢均热板
此外,自动化正在成为VC均热板制程发展的必然趋势,注水除气、插鼠尾、置铜网等关键工序将实现高度自动化。未来几年,VC均热板生产将逐步集中于手机精密机构件供应链头部厂家,促进自动化的普及。相比之下,自动化程度高的均热板生产企业将获得竞争优势,市场竞争将进一步加剧。

一种超薄均热板

随着智能手机的普及,我国几乎要达到全民网络化,CNNIC统计我国网民规模突破9亿,手机上网比例达99.3%。据中国互联网络信息中心统计,中国网络游戏用户达到5.22亿。因此,人们对于手机的性能需求也越来越高。然而,伴随着性能的提升,散热问题成为了需要解决的重中之重的大问题。
 
智能手机在让用户体验高性能的同时,大部分的用户都体会过手机后壳的滚烫。尤其在玩游戏的时候或者长时间进行工作的时候,手机发热这种现象更是给用户带来极大的安全隐患,所以需要很好地解决手机的散热问题。目前,手机生产商们都在寻找各种材料或者先进的散热方式来为手机降温来提升使用体验。
尽管现在很多的手机已经有了相关的散热技术,仍然还是没能够彻底的改变手机发热的这个情况,散热问题虽然没办法彻底根治,但是我们可以在使用手机的过程当中尽量控制手机不要过于发热,这就要了解发热的原因。
1 手机发热的原因
首先,手机发热的根本原因是在手机运行过程中,电池输出的电流经过用电元件时产生了热量,正常情况下手机在运行过程中是肯定会产生热量的。智能手机发热的主要地方有CPU、芯片、处理器、手机电池等等。
其次,我们使用手机的习惯或不当也会造成手机发热,如用手机玩游戏或者安装了其他高能耗的APP,占用过多的CPU就会导致手机温度过高;手机运行的程序很多,如果手机后台运行多款应用,也同样占用很多CPU,当CPU运算超过了自己的上限值时,就会导致温度过高,手机温度也随之升高。手机充电过程会伴有电能的转化,当我们一边手机充电一边玩,就会导致手机温度上升,很容易导致手机温度上升很快。现在很多人都会给自己的手机选一个好看的手机壳,有的只顾及外观美观,但手机散热就不好,也是一个原因。手机发热的原因有很多,而且危险也很大。
手机产生的热量一般都是通过手机背部的散热材料自然散出,这就需要良好的散热材料和适合的散热环境。现在手机的外部一般都是金属后壳,热量通过金属后壳散到周围的环境中。这种散热的方式在很多数手机上都在使用,但是产生热量过多的时候,手机就不太适合使用,因此就需要新的散热材料和散热方式。
2 热传递的原理和方式

由物理学原理中热传导定律,热传递的三种方式包括:热传导、热对流、热辐射。热传导是物质和物质之间的接触时,能量的传递。这种热的传递方式有局限性,常见于固体与液体间,由于气体的分子不是特别紧密,在气体中不常见,只是热的扩散。

热对流是流体与固体表面接触,造成流体从固体表面将热量带走的传热形式。这种传热方式是流体受热之后或者是产生温度差,产生了热的传递。可以分为自然对流和强制对流。这种对流方式更具有效率。且这种散热方式与热对流系数、有效接触面积和温度差成正比,有效接触面积越大,温度差越大,热对流系数越大,热量被带走的越多。

热辐射是在没有介质、无需接触的情况下产生的热的传递的方式。热辐射与热辐射系数、物质表面面积和温度差有关,只是热辐射在没有介质的热量的吸收效率比较低。

我们可以从这三个方面来解决手机散热的问题。但是这三种方式中热辐射对于手机是不太好实现的,并且现在手机变的越来越薄,体积越来越小,对流、辐射都不是那么容易做到的。目前厂商们采用的也都是热传导的方法来为手机“降温”。

3 散热材料和散热方式
3.1石墨散热片

这是目前主流的一种散热方式。石墨散热片是一种将手机发热的中心温度均匀的分布在一个二维平面上,以方便均匀散热。再加上导热的凝脂,直接将处理器表面热量传递到散热材料上,以保证手机内的组件可以正常稳定工作

关于石墨片的散热原理的一项实验表明,在手机持续使用过程中,未采取散热的措施时,高温局部集中,周围也是接近高温。在使用石墨散热片后,局部高温扩散,热源高温得到了控制。

石墨散热片的例子:在iPhone4S、三星GALAXYNote系列都加入了石墨散热片,在小米手机里,芯片和中间层有一石墨散热片,屏幕和中间层也有一石墨散热片。

3.2金属背板散热

这种方式就是在手机的内部放入了一层金属导热板,将手机产生的热量传到金属导热板,再传到机身的四处,从而确保手机可以处于正常温度运行,让热量可以迅速扩散。

关于金属背板散热的方式的研究表明,这种的散热方式缺点就是散热不是很快很明显,常见在这些中端机型中使用,例如三星GALAXY的C系列就采用了金属边框、金属背板导热的设计,除了美观外,也是为了散热。

3.3热管散热器

热管是一种传热性极好的人工构件,常用的热管由三部分组成:主体为一根封闭的金属管,内部有少量工作介质和毛细结构,管内的空气及其他杂物必须排除在外。热管工作时利用了三种物理学原理:(1)在真空状态下,液体的沸点降低;(2)同种物质的汽化潜热比显热高的多;(3)多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。

这种散热方式的优点是热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠,热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统,节约水资源和相关的辅助设备投资。此外,热管散热还能将发热件集中,甚至密封,而将散热部分移到外部或远处,能防尘、防潮、防爆,提高电器设备的安全可靠性和应用范围。

这种热管散热方式常见于高端机型,由于这些手机都是高性能的,在运行时都是高性能运转,这时候就要特殊的散热方式。散热管里有特殊的液体,当手机发热时,热管里液体就会吸收热能变成气体,并且扩散到其他区域,达到热能交换与平均散热的效果。这种散热的效果远比金属的要好。目前的电脑的散热器中常说的液冷散热,其原理就基本和热管散热一样。

这种手机散热系统的例子有iQOONeo855,内部采用了超长热管、可固化导热凝胶、高导热铝合金框架以及多层复合石墨散热片组成一套完善的手机散热系统,可以让手机在长时间游戏之后,依然保持着舒适的握持温度。再有就是在黑鲨、红魔手机中也是应用了这样的先进的散热方式,并且加入了一些可拆装式的散热器或者内置散热风扇。

4 利用冲突理论解决散热问题

手机散热方式的研究一直是在追求更好更强更稳定的散热系统,对此可以利用技术创新方法中冲突理论解决方法来创新。

首先,从“散热材料的分布影响散热”为入手点解决问题,该问题的技术冲突解决过程如下:(1)冲突描述。为了改善系统的“散热材料增加散热”问题,我们需要改变散热材料的体积问题从而找更加先进的小型散热材料,但这样做了会导致系统的成本增加。(2)转换成TRIZ标准冲突。改善的参数:8,9;恶化的参数:18,27。(3)查找冲突矩阵,得到如表1所示的发明原理。

所以方案为:依据7套叠原理,35性能转换原理发明原理,得到的解如下:可以利用套叠原理将一些散热材料从平面式变成堆叠的方式,也就是将其做成3D立体式,利用35性能转换原理内容通过改变物理状态浓度或密度、柔性和灵活程度,实现性能优化和改变,可以改变散热材料的热流密度,导热系数来增加散热。

其次,以“散热材料的散热方式的改变”为入手点解决问题,该问题的技术冲突解决过程:(1)冲突描述。为了改善系统的“散热材料增加散热”,我们需要改变散热的材料或散热方式,但这样做了会导致系统的复杂性增加。(2)转换成TRIZ标准冲突。改善的参数:32,43;恶化的参数:18,27。(3)查找冲突矩阵,得到如表2所示的发明原理。

所以方案为:依据6多元性原理,13反向作用原理,28机械系统替代原理,35性能转换原理发明原理,得到的解如下:可以利用多元性原理得到采用集成散热芯片来代替前面所述的方式,来达到更好的散热效果。利用机械系统替代原理:过程可以加入热、光、电、磁场等系统代替原机械系统,所以可以利用加入热管散热的方式来代替之前的石墨烯直接散热利用反向作用原理:把物体(或者过程)倒过来从而达到相同目的,这个发明原理加上之前提出的芯片方式,就类似于倒装芯片提高散热。

可以将上面从两个不同问题着手点开始得到的解综合来看,对此,可以简单的提出一种新型的散热系统—立体式芯片通道热管散热,这种散热系统是利用半导体集成技术,纳米技术和热管散热技术。将该散热芯片从传统平面2D式做法变成带有中间的堆叠3D式并在这个立体式芯片存在的间隙间加入水冷的散热方式等等。

结论

所以手机散热一直是困扰手机发展的大问题之一,相信随着科技的发展,这个问题也会得到有效的改善。

5G

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    关键词:环氧胶水,导电胶水,导电胶粘剂,胶接工艺,胶粘技术引言:2022年3月23日,国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,提出到2025年,形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境,产业创新能力显著提高,基本掌握核心技术和制造工艺,初步建立较为完整的供应链和产业体系。规划当中明确了氢的能源属性,确认氢是未来国家能源体系的重要组成部
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