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5G手機、基站的熱管理材料發展

發布時間:2021-11-14 閱讀量:120 打印 收藏此頁

射頻通訊領域,5G手機朝著高傳輸速率、高度集成化和輕薄化等方向不斷升級, 發熱量相對于4G 時代大幅增加,散熱需求也隨之大幅提升。在基站領域,根據中通服咨詢設計研究院數據,5G基站單站功耗是4G基站單站的2~3倍,功耗增加主要來自于 AAU(有源天線單元),因此在5G基站的推廣過程中亟需更節能的器件及更有效的散熱。

5G 建設驅動智能手機散熱需求提升

在 5G 網絡下,手機具有更高的功耗及發熱。主要原因可概括為三點:一是5G網絡具有更高的網速及頻率,手機會在同等時間內進行更多次數的數據傳輸、交互。二是 5G 終端設備采用MIMO天線技術,手機需要內置更多天線,根據Qorvo數據,在 Sub-6Ghz 頻段需要 8-10 根天線,在毫米波頻段需要10-12根天線,每根天線都有自己的功率放大器,導致功耗及發熱的增加。三是在5G網絡覆蓋率較低、信號較弱的情況下,手機頻繁搜索信號的行為也會造成較大的功耗及發熱。

智能手機散熱行業發展歷史

智能手機散熱行業第一階段(2010-2015 年)

智能手機主要采用以石墨散熱膜為主的基于熱傳導原理的散熱方案;石墨散熱基于熱傳導原理,人工合成石墨散熱膜備受青睞 石墨散熱膜是一種納米先進復合材料,適應任何表面均勻導熱,具有 EMI 電磁屏蔽效果。利用石墨的導熱性,石墨散熱膜具有獨特的晶粒取向,沿兩個方向均勻導熱,同時片層狀結構可很好地適應任何表面,屏蔽熱源與組件的同時改進消費類電子產品的性能。利用石墨的可塑性,石墨散熱膜可貼附在手機內部的電路板上面,既可以阻隔原件之間的接觸, 也可以起到一定的抗震作用。

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石墨散熱膜分為天然石墨片和人工石墨片兩種。天然石墨散熱膜具有高導熱性、易加工、 柔韌、無氣體液體滲透性等特性,一般熱傳導率在 700~1200W/(m×k),優點是不易老化和不易脆化,適用于大多數化學介質;缺點是不能做到太薄,一般成品最薄做到 0.1MM 厚度。人工石墨散熱膜的優點是能做很薄,熱傳導率在 1000~1500W/(m×k),散熱效果相對較好,體現為散熱速度較快;缺點是價格偏高,但是在手機市場越來越追求高品質的道路上,人工合成石墨散熱膜備受青睞。

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石墨散熱經蘋果挖掘、小米宣揚后迅速成為當時智能手機的主要散熱材料。蘋果于 2010 年發布的 iPhone 4手機開啟了智能手機新時代,iPhone 4硬件性能較 iPhone 3GS大幅提高,整機功耗加大因此散熱要求提高。iPhone 4使用了當時行業內最高清晰度的 Retina 屏幕,因此蘋果在不銹鋼中板上粘貼了石墨散熱膜用于屏幕散熱。此外,iPhone 4首次使用了蘋果自主研發的 A 系列處理器 A4,主頻較 iPhone 3GS的芯片提升 200MHz至800MHz,GPU性能提高了1倍,因此在芯片和電池功耗負荷加重的情形下,iPhone 4在主板和玻璃背蓋上也分別粘貼了石墨散熱膜用于芯片及電池的散熱。

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智能手機散熱行業第二階段(2016-2018 年)

智能手機主要采用以熱管(液冷)散熱為主的散熱方案,優點在于使用壽命長和布置靈活。液冷散熱在手機內部以熱管/均熱板的形式存在,利用液體傳熱過程中汽化和液化不斷轉變的特性傳遞熱量。熱管散熱的基本原理是利用腔體中的水從液體變為氣體吸收熱量,當氣體觸及到溫度較低的區域時,凝結為液體釋放熱量;液冷散熱管永久封裝后不會產生機械或化學降解,因而典型的使用壽命約為 20 年;液冷散熱可以打扁、折彎,可以放在任何需要散熱的位置;同時,液冷散熱管也會吸收遠處的熱量進而散熱。PC端的液冷散熱中的冷卻 液常用材料是水,手機端的要求更高,常用油質材料作為冷卻液。

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熱管散熱最早于2013年應用于智能手機,2016年開始普及。早在2013年,NEC 就在旗下的Medias X手機上引入液冷降溫技術,這款手機在高通驍龍600處理器表面覆蓋了一根長達 10cm 的熱管,當處理器發熱的時候,熱管內的液體將 熱量傳遞到手機外殼再散熱,從而實現散熱降溫的效果。在 NEC后,索尼也從 Xperia Z2開始引入熱管散熱,并在搭配了高通驍龍 810 處理器、擁有全球首款4K屏幕的 Xperia Z5 Premium 手機上使用了雙熱管和硅脂的散熱方案。

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在安卓手機中,根據極光大數據統計,2019 年 4000 元以上、3000-3999 元、2000-2999 元、1000-1999 元、1000 元以下的安卓手機銷售占比分別為 3.9%、14.1%、 25.0%、48.6%、8.4%。假設 2019 年 2000 元以上的安卓手機均使用熱管散熱,1000-1999 元的安卓手機有 1/3 使用熱管散熱,1000 元以下的安卓手機不使用熱管散熱,結合安卓 手機出貨量占比可得 2019 年 4G 手機熱管散熱滲透率約為 50.97%。隨著熱管散熱逐步向 1000-1999 元、1000 元以下的安卓手機滲透,我們預計 2020-2022 年 4G 手機熱管散熱 滲透率分別為 64.92%、78.87%、86.10%。

對于 5G 手機,在 5G 手機功耗大幅增加的背景下,我們認為 2020 年中高端 5G 手機將會 使用均熱板+石墨/石墨烯的散熱方案,中低端 5G 手機將會使用熱管+石墨的散熱方案。根 據 5G 產業通關于 2019、2020 年 5G 手機散熱方案的統計,2019 年約有 46.67%的 5G 機型采用熱管散熱,1Q20 約有 38.89%的 5G 機型采用熱管散熱??紤]到 5G iPhone 可 能繼續沿用石墨片散熱的設計,以及 5G 手機均熱板散熱的滲透率存在逐步上升的趨勢, 我們預計 20-22 年 5G 手機熱管散熱的滲透率分別為 33.48%、26.79%、20.09%。

智能手機散熱行業第三階段(2019 年至今)

智能手機主要采用以VC均熱板散熱為主、石墨及石墨烯等散熱技術為輔的散熱組合方案。

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VC(Vapor Chamber)均熱板散熱,全稱是真空腔均熱板散熱技術,散熱的基本原理與熱管散熱類似,同樣是利用水的相變進行循環散熱。當熱源將熱量傳導至蒸發區時,腔體里的冷卻液(以水為主)在低真空度的環境中受熱進行氣化,此時吸收熱能并且體積迅速膨脹,氣態冷卻液迅速充滿整個腔體,當氣體接觸到較冷區域會進行凝結成液態。通過凝結過程將此前吸收的熱量排出,凝結后的冷卻液會由微毛細管道回到蒸發區,此運作將在腔體內周而復始進行。

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VC 均熱板散熱在原理上與熱管散熱類似,區別在于熱管只有單一方向的“線性”有效導熱能力,而 VC 均熱板相當于從“線”到“面”的升級,可以將熱量向四面八方傳遞,有效增強散熱效率。根據 PConline 數據,熱管散熱的導熱系數為 5000–8000 W/(m×k),而均熱板擁有比熱管更大的腔體空間,可容納更多的作動流體,導熱系數可以達到 20000 W/(m×k)以上。同時 VC 均熱板散熱面積更大,可以覆蓋更多熱源區域實現整體散熱;并且 VC 均熱板更加輕薄,更加符合目前手機輕薄化、空間利用最大化的發展趨勢。

石墨烯憑借高熱傳導率的特性,成為具有競爭力的散熱材料。石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯材料也憑借優異的導熱特性、快速散熱特性(與空氣對流)以及質輕柔韌等特性,被認為是一種具有很強競爭力的散熱材料。石墨烯有較高的熱傳導率,單層懸空的石墨烯熱傳導率高達 5300W/(m×k), 遠遠大于傳統的金屬散熱材料如銅(約400W/(m×k))和鋁(約 240W/(m×k))。

5G 建設驅動基站散熱需求提升

基站是典型的封閉式自然散熱設備,熱量從元器件發出后,首先會被內部器件吸收,導致器件溫度升高;由于溫差出現,熱量會從高溫物體轉移到低溫物體。因此基站的熱量會先傳到外殼,再由外殼傳導到空氣,具體的熱量傳遞路徑如下:芯片(發熱源→界面材料→導熱結構件→內部空氣→外殼→外部環境?;镜臒嵩O計需要在相同空間下盡可能提高 換熱效率、降低傳熱熱阻。

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BBU 散熱依靠自身散熱設計,主要使用散熱片、導熱凝膠等散熱材料 BBU 應用環境多在室外,無法依靠風扇散熱,因此散熱主要依靠自身的散熱設計。

以華為 BBU為例,目前主流的5G基站BBU散熱方案為:BBU正面采用大面積鰭片散熱片,幾乎覆蓋了整個PCB,僅露出電源部分;BBU 背面同樣覆蓋大面積的金屬散熱片,主要為熱管/均熱板;BBU 內部使用導熱凝膠、金屬散熱片等導熱界面材料。

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AAU 散熱需求激增,半固態壓鑄件+吹脹板新型散熱方案有望成為主流。傳統的 AAU 散熱方案包括:(1)降低芯片與外殼的溫差,采用高導熱界面材料和熱橋接 導熱塊或熱管,但是當外殼被太陽光暴曬時,表面溫度可高達 60℃至 90℃,導致實際散熱效果有限。(2)降低外殼表面溫度,增加設備的外殼體積,優化散熱葉片設計,加大表面積;(3)改善外殼溫度均勻性,采用鑄鋁加厚外殼;方案(2)、(3)的缺點是對產品的外觀、尺寸和重量有一定的限制,不能隨意的增大。

相比于傳統的散熱材料及方案,“半固態壓鑄件+吹脹板”結合了半固態壓鑄件重量輕、散熱性能好的優勢和吹脹板熱傳導效率高、散熱速度快的優勢,有望成為 5G 基站AAU散熱的主流方案。隨著5G商用基站大規模建設的推進,將進而驅動半固態壓鑄件和吹脹板散熱市場規模的增長。采用新型散熱片結構設計以提升基站散熱能力。例如散熱片結構中的散熱齒,下部熱量上部擴散,造成散熱齒結構上部溫度高,降低散熱效率,成為散熱瓶頸。中興通訊采用獨特的V齒結構設計,改進散熱氣流,使冷空氣正面進兩側出,避免熱級聯,散熱提 升 20%,成為業界首創。華為也采用了獨創的仿生散熱技術——輥壓接合散熱齒,同樣使基站的整體散熱能力提升20%。


來源:11-1309:02《酷扯兒》官方帳號


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