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目前，全球有78個國家的182家運營商已經(jīng)啟動5G建設(shè)或正在進行5G網(wǎng)絡(luò)測試，有些國家甚至已經(jīng)實現(xiàn)了5G在部分地區(qū)的試商用。

5G時代的大幕已經(jīng)徐徐拉開，而應(yīng)用于5G通信的新材料，其研究熱度也早已升溫，本文主要對5G導(dǎo)熱散熱材料進行分析。

5G時代的一個顯著特點是發(fā)熱量顯著增加。隨著功耗增加，對散熱的要求更加的嚴苛，新的導(dǎo)熱散熱材料應(yīng)用也更加廣泛。

目前手機產(chǎn)品的發(fā)展趨勢如下：

1. 5G芯片等電子元器件功耗增加，產(chǎn)生的熱量更多

2. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊，機身向非金屬化演進，需額外散熱設(shè)計補償

3. OLED、可折疊屏應(yīng)用引入帶來導(dǎo)熱材料的顯著需求

4. 無線充電應(yīng)用引入帶來導(dǎo)熱材料的顯著需求

據(jù)報道，華為的5G芯片消耗的功率將是當前4G調(diào)制解調(diào)器的2.5倍，需要更多更好的散熱模塊以防止手機過熱。從手機結(jié)構(gòu)上來看，后蓋是手機的一條重要傳熱路徑，但由于5G時代金屬將不再適用，玻璃材質(zhì)的導(dǎo)熱能力和鋁合金相差較大，因此需要增加額外的散熱設(shè)計，例如iPhone XS中，為了讓雙層主板更好的散熱，主板正反面都貼有非常大塊的散熱石墨片，同時主板上的A12芯片也涂上了大量的導(dǎo)熱硅脂進行散熱。

圖10  智能手機散熱途徑

圖11  蘋果XS散熱石墨片及導(dǎo)熱硅脂

OLED使用率快速提升，預(yù)計到2021年期間全球柔性O(shè)LED理論總產(chǎn)能面積將達到88%的復(fù)合增速，針對其散熱的需求將同步增加。OLED屏幕相比LCD屏幕具備顯示效果好、更輕薄、能耗低、可實現(xiàn)柔性效果等優(yōu)點，但OLED材料高溫受熱易衰退，因此對散熱要求大幅增加。例如蘋果在iPhone X的OLED屏幕內(nèi)側(cè)貼了石墨片，面積較大，且要求非常平整，厚度0.1mm，為雙層石墨。

可折疊手機的上市將進一步增加OLED使用量，從而顯著增加對散熱的需求。目前三星、華為等品牌廠商都在積極布局可折疊手機，并已發(fā)布上市，如Galaxy Fold、Huawei Mate X。

圖12  折疊屏手機

無線充電技術(shù)的發(fā)展對散熱也提出了較高需求。無線充電是指無需借助電導(dǎo)線，在發(fā)送端（無線充電器）和接收端（位于智能手機等設(shè)備中）用相應(yīng)的設(shè)備發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號來進行充電的一項技術(shù)。蘋果、三星、華為等領(lǐng)先品牌都已在旗艦機型上積極推出無線充電，根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，預(yù)計2018-2024年智能手機無線充電接收端銷量的復(fù)合增速將達32.4%。由于手機中無線充電線圈的存在，iPhone X中的鋼板中央開有大孔，但其阻礙了熱量沿鋁板傳導(dǎo)，削弱了后蓋的傳熱能力，因此蘋果在線圈上貼銅箔石墨層來彌補。據(jù)中時電子報報道，由于OLED屏幕、Force Touch、無線充電及部份晶片的散熱需求，iPhone X對人造石墨散熱片用量為iPhone 8的2-4倍。

圖13  iPhone手機充電線圈散熱石墨層

目前應(yīng)用的導(dǎo)熱材料主要分為導(dǎo)熱膏、片狀導(dǎo)熱填充材料、相變化導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱凝膠、石墨膜和熱管等。

1.導(dǎo)熱膏

導(dǎo)熱膏是主要以有機硅酮為原料的導(dǎo)熱硅脂和其他耐熱、導(dǎo)熱的材料復(fù)合而成的導(dǎo)熱型有機硅脂狀復(fù)合物。導(dǎo)熱膏有本身導(dǎo)熱率高、膠層厚度薄、附著壓力最小、再加工性好等優(yōu)點。它主要用于功率放大器、電子管、晶體管等電子器件的導(dǎo)熱及散熱，使用方式為絲網(wǎng)、鋼板印刷，或是直接刷涂。

圖14  導(dǎo)熱膏示意圖

2.片狀導(dǎo)熱填充材料

片狀導(dǎo)熱填充材料通常被稱為導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱硅膠墊等，具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱能力、絕緣性、柔韌性等，是一款專門利用填補空隙來傳遞熱量的產(chǎn)品，能夠完美填充散熱件和發(fā)熱件之間的空隙，提高熱傳遞效率。片狀導(dǎo)熱間隙填充材料可應(yīng)用在各種元器件表面與散熱器，外殼等之間起導(dǎo)熱、絕緣、粘接、防震等作用。該類產(chǎn)品可任意裁切，利于滿足自動化生產(chǎn)和產(chǎn)品維護。有些產(chǎn)品通過加玻璃纖維網(wǎng)、表面金屬層等方式來增加其機械強度及可操作性，還有導(dǎo)熱膠帶等具有粘接等附加功能的產(chǎn)品。

圖15  導(dǎo)熱片示意圖

3.相變化導(dǎo)熱界面材料

相變化導(dǎo)熱界面材料中的部分基材在受熱后會從固態(tài)變到液態(tài)，使得材料更加貼合發(fā)熱件表面從而獲得更低的熱阻來提高熱傳遞效率。相變化導(dǎo)熱界面材料在常溫下是固體，十分便于大批量生產(chǎn)及管控，對很多表面黏貼封裝器件使用非常方便，常用于計算機和外設(shè)、高性能計算機處理器、顯卡、電源模塊等的導(dǎo)熱應(yīng)用。

圖16  相變導(dǎo)熱硅膠墊示意圖

4.導(dǎo)熱凝膠

導(dǎo)熱凝膠（GEL）是一種凝膠狀態(tài)的導(dǎo)熱材料，相對于導(dǎo)熱墊片，更柔軟且具有更好的表面親和性，可以壓縮至非常低的厚度，使傳熱效率顯著提升，最低可以壓縮到0.1mm。陶氏化學(xué)最新研發(fā)的針對于手機電子元件熱管理的新型陶熙TC-3105有機硅導(dǎo)熱凝膠，可以涂覆在芯片的封裝表面，替代傳統(tǒng)的成品散熱墊，具有低成本、室溫下或電子元件發(fā)熱時固化從而提高接觸面積的特點。

圖17  導(dǎo)熱硅凝膠示意圖

5.石墨膜

導(dǎo)熱石墨膜是一種碳分子高結(jié)晶態(tài)組成的全新高導(dǎo)熱散熱材料，能沿X、Y兩個方向均勻高效導(dǎo)熱，且石墨的片層狀結(jié)構(gòu)能適應(yīng)多數(shù)表面，因此有著極佳的導(dǎo)熱功能。高導(dǎo)熱石墨膜平面內(nèi)具有150~1700W/(m·K）的超高導(dǎo)熱率，具有柔軟、易加工的特點。溫度適用范圍廣，石墨層不老化和脆化，適用于大多數(shù)化學(xué)品介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于智能手機、平板電腦等需要高散熱解決方案的電子產(chǎn)品。

圖18  石墨結(jié)構(gòu)示意圖

圖19  石墨性能參數(shù)

從導(dǎo)熱石墨膜的性能差異來看，主要分成單層、多層和復(fù)合型導(dǎo)熱膜3類。其中單層高導(dǎo)熱膜應(yīng)用范圍最廣，復(fù)合型和多層高導(dǎo)熱膜主要是在單層的基礎(chǔ)上與銅箔或多層石墨膜復(fù)合而成。其中單層導(dǎo)熱石墨膜最薄，多層導(dǎo)熱石墨膜具備儲熱功能，復(fù)合型導(dǎo)熱石墨膜則具備導(dǎo)熱、儲熱、屏蔽輻射的功能。

從原材料分，導(dǎo)熱石墨膜主要分為天然和人工兩種。天然石墨散熱膜不能做很薄，一般成品最薄做到0.1mm厚度，導(dǎo)熱系數(shù)只有300~700W/(m·K）。人工石墨膜具備更加優(yōu)秀的性能，更低的成本，需求空間非常大，納米碳散熱膜最薄可做到0.03mm，導(dǎo)熱系數(shù)相較普通石墨散熱膜顯著提高。

圖20  石墨散熱膜

隨著5G時代的到來，電子設(shè)備的核心零部件散熱需求顯著提升，對導(dǎo)熱石墨膜材料將提出更多新的要求，如厚度更薄、導(dǎo)熱性更好，以及可加工為3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品等。由于石墨烯的導(dǎo)熱性能超高，約5300W/(m·K），石墨烯導(dǎo)熱膜的研制將會給散熱帶來大幅度提升，受制于生產(chǎn)工藝的影響，產(chǎn)能較低，研發(fā)進度較快的為華為實驗室，其旗艦機Mate 30 Pro 5G已應(yīng)用石墨烯散熱膜，散熱性能大幅提升。

圖21  石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

圖22  華為Mate 30 Pro 5G散熱效果

6.熱管

熱管散熱也叫“液冷散熱”。熱管散熱器由密封管、吸液芯和蒸汽通道組成。吸液芯環(huán)繞在密封管的管壁上，浸有能揮發(fā)的飽和液體。液體可以是蒸餾水，也可以是氨、甲醇或丙酮等。充有氨、甲醇、丙酮等液體的熱管散熱器在低溫時仍具有很好的散熱能力。

熱管散熱器運行時，其蒸發(fā)段吸收熱源(功率半導(dǎo)體器件等)產(chǎn)生的熱量，使其吸液芯管中的液體汽化成蒸汽。帶有熱量的蒸汽就從熱管散熱器的蒸發(fā)段向其冷卻段移動，當蒸汽把熱量傳給冷卻段后，蒸汽就冷凝成液體。冷凝的液體便通過管壁上吸液芯的毛細管作用返回到蒸發(fā)段，如此重復(fù)上述循環(huán)過程不斷地散熱。

圖23  熱管運行示意圖

圖24  華為手機熱管應(yīng)用示意圖

生產(chǎn)廠商：

導(dǎo)熱材料與石墨材料行業(yè)競爭格局以國際供應(yīng)商為主，近年國產(chǎn)廠商進步明顯。國際市場上，導(dǎo)熱材料壟斷企業(yè)是美國Bergquist和英國Laird，合成石墨產(chǎn)品的高端客戶市場主要有Panasonic、中石科技和碳元科技等。更多濾芯膠請訪問jbmtpc.com