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5G手机、基站的热管理材料发展

发布时间:2021-11-14 阅读量:100 打印 收藏此页

射频通讯领域,5G手机朝着高传输速率、高度集成化和轻薄化等方向不断升级, 发热量相对于4G 时代大幅增加,散热需求也随之大幅提升。在基站领域,根据中通服咨询设计研究院数据,5G基站单站功耗是4G基站单站的2~3倍,功耗增加主要来自于 AAU(有源天线单元),因此在5G基站的推广过程中亟需更节能的器件及更有效的散热。

5G 建设驱动智能手机散热需求提升

在 5G 网络下,手机具有更高的功耗及发热。主要原因可概括为三点:一是5G网络具有更高的网速及频率,手机会在同等时间内进行更多次数的数据传输、交互。二是 5G 终端设备采用MIMO天线技术,手机需要内置更多天线,根据Qorvo数据,在 Sub-6Ghz 频段需要 8-10 根天线,在毫米波频段需要10-12根天线,每根天线都有自己的功率放大器,导致功耗及发热的增加。三是在5G网络覆盖率较低、信号较弱的情况下,手机频繁搜索信号的行为也会造成较大的功耗及发热。

智能手机散热行业发展历史

智能手机散热行业第一阶段(2010-2015 年)

智能手机主要采用以石墨散热膜为主的基于热传导原理的散热方案;石墨散热基于热传导原理,人工合成石墨散热膜备受青睐 石墨散热膜是一种纳米先进复合材料,适应任何表面均匀导热,具有 EMI 电磁屏蔽效果。利用石墨的导热性,石墨散热膜具有独特的晶粒取向,沿两个方向均匀导热,同时片层状结构可很好地适应任何表面,屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。利用石墨的可塑性,石墨散热膜可贴附在手机内部的电路板上面,既可以阻隔原件之间的接触, 也可以起到一定的抗震作用。

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石墨散热膜分为天然石墨片和人工石墨片两种。天然石墨散热膜具有高导热性、易加工、 柔韧、无气体液体渗透性等特性,一般热传导率在 700~1200W/(m×k),优点是不易老化和不易脆化,适用于大多数化学介质;缺点是不能做到太薄,一般成品最薄做到 0.1MM 厚度。人工石墨散热膜的优点是能做很薄,热传导率在 1000~1500W/(m×k),散热效果相对较好,体现为散热速度较快;缺点是价格偏高,但是在手机市场越来越追求高品质的道路上,人工合成石墨散热膜备受青睐。

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石墨散热经苹果挖掘、小米宣扬后迅速成为当时智能手机的主要散热材料。苹果于 2010 年发布的 iPhone 4手机开启了智能手机新时代,iPhone 4硬件性能较 iPhone 3GS大幅提高,整机功耗加大因此散热要求提高。iPhone 4使用了当时行业内最高清晰度的 Retina 屏幕,因此苹果在不锈钢中板上粘贴了石墨散热膜用于屏幕散热。此外,iPhone 4首次使用了苹果自主研发的 A 系列处理器 A4,主频较 iPhone 3GS的芯片提升 200MHz至800MHz,GPU性能提高了1倍,因此在芯片和电池功耗负荷加重的情形下,iPhone 4在主板和玻璃背盖上也分别粘贴了石墨散热膜用于芯片及电池的散热。

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智能手机散热行业第二阶段(2016-2018 年)

智能手机主要采用以热管(液冷)散热为主的散热方案,优点在于使用寿命长和布置灵活。液冷散热在手机内部以热管/均热板的形式存在,利用液体传热过程中汽化和液化不断转变的特性传递热量。热管散热的基本原理是利用腔体中的水从液体变为气体吸收热量,当气体触及到温度较低的区域时,凝结为液体释放热量;液冷散热管永久封装后不会产生机械或化学降解,因而典型的使用寿命约为 20 年;液冷散热可以打扁、折弯,可以放在任何需要散热的位置;同时,液冷散热管也会吸收远处的热量进而散热。PC端的液冷散热中的冷却 液常用材料是水,手机端的要求更高,常用油质材料作为冷却液。

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热管散热最早于2013年应用于智能手机,2016年开始普及。早在2013年,NEC 就在旗下的Medias X手机上引入液冷降温技术,这款手机在高通骁龙600处理器表面覆盖了一根长达 10cm 的热管,当处理器发热的时候,热管内的液体将 热量传递到手机外壳再散热,从而实现散热降温的效果。在 NEC后,索尼也从 Xperia Z2开始引入热管散热,并在搭配了高通骁龙 810 处理器、拥有全球首款4K屏幕的 Xperia Z5 Premium 手机上使用了双热管和硅脂的散热方案。

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在安卓手机中,根据极光大数据统计,2019 年 4000 元以上、3000-3999 元、2000-2999 元、1000-1999 元、1000 元以下的安卓手机销售占比分别为 3.9%、14.1%、 25.0%、48.6%、8.4%。假设 2019 年 2000 元以上的安卓手机均使用热管散热,1000-1999 元的安卓手机有 1/3 使用热管散热,1000 元以下的安卓手机不使用热管散热,结合安卓 手机出货量占比可得 2019 年 4G 手机热管散热渗透率约为 50.97%。随着热管散热逐步向 1000-1999 元、1000 元以下的安卓手机渗透,我们预计 2020-2022 年 4G 手机热管散热 渗透率分别为 64.92%、78.87%、86.10%。

对于 5G 手机,在 5G 手机功耗大幅增加的背景下,我们认为 2020 年中高端 5G 手机将会 使用均热板+石墨/石墨烯的散热方案,中低端 5G 手机将会使用热管+石墨的散热方案。根 据 5G 产业通关于 2019、2020 年 5G 手机散热方案的统计,2019 年约有 46.67%的 5G 机型采用热管散热,1Q20 约有 38.89%的 5G 机型采用热管散热。考虑到 5G iPhone 可 能继续沿用石墨片散热的设计,以及 5G 手机均热板散热的渗透率存在逐步上升的趋势, 我们预计 20-22 年 5G 手机热管散热的渗透率分别为 33.48%、26.79%、20.09%。

智能手机散热行业第三阶段(2019 年至今)

智能手机主要采用以VC均热板散热为主、石墨及石墨烯等散热技术为辅的散热组合方案。

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VC(Vapor Chamber)均热板散热,全称是真空腔均热板散热技术,散热的基本原理与热管散热类似,同样是利用水的相变进行循环散热。当热源将热量传导至蒸发区时,腔体里的冷却液(以水为主)在低真空度的环境中受热进行气化,此时吸收热能并且体积迅速膨胀,气态冷却液迅速充满整个腔体,当气体接触到较冷区域会进行凝结成液态。通过凝结过程将此前吸收的热量排出,凝结后的冷却液会由微毛细管道回到蒸发区,此运作将在腔体内周而复始进行。

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VC 均热板散热在原理上与热管散热类似,区别在于热管只有单一方向的“线性”有效导热能力,而 VC 均热板相当于从“线”到“面”的升级,可以将热量向四面八方传递,有效增强散热效率。根据 PConline 数据,热管散热的导热系数为 5000–8000 W/(m×k),而均热板拥有比热管更大的腔体空间,可容纳更多的作动流体,导热系数可以达到 20000 W/(m×k)以上。同时 VC 均热板散热面积更大,可以覆盖更多热源区域实现整体散热;并且 VC 均热板更加轻薄,更加符合目前手机轻薄化、空间利用最大化的发展趋势。

石墨烯凭借高热传导率的特性,成为具有竞争力的散热材料。石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯材料也凭借优异的导热特性、快速散热特性(与空气对流)以及质轻柔韧等特性,被认为是一种具有很强竞争力的散热材料。石墨烯有较高的热传导率,单层悬空的石墨烯热传导率高达 5300W/(m×k), 远远大于传统的金属散热材料如铜(约400W/(m×k))和铝(约 240W/(m×k))。

5G 建设驱动基站散热需求提升

基站是典型的封闭式自然散热设备,热量从元器件发出后,首先会被内部器件吸收,导致器件温度升高;由于温差出现,热量会从高温物体转移到低温物体。因此基站的热量会先传到外壳,再由外壳传导到空气,具体的热量传递路径如下:芯片(发热源→界面材料→导热结构件→内部空气→外壳→外部环境。基站的热设计需要在相同空间下尽可能提高 换热效率、降低传热热阻。

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BBU 散热依靠自身散热设计,主要使用散热片、导热凝胶等散热材料 BBU 应用环境多在室外,无法依靠风扇散热,因此散热主要依靠自身的散热设计。

以华为 BBU为例,目前主流的5G基站BBU散热方案为:BBU正面采用大面积鳍片散热片,几乎覆盖了整个PCB,仅露出电源部分;BBU 背面同样覆盖大面积的金属散热片,主要为热管/均热板;BBU 内部使用导热凝胶、金属散热片等导热界面材料。

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AAU 散热需求激增,半固态压铸件+吹胀板新型散热方案有望成为主流。传统的 AAU 散热方案包括:(1)降低芯片与外壳的温差,采用高导热界面材料和热桥接 导热块或热管,但是当外壳被太阳光暴晒时,表面温度可高达 60℃至 90℃,导致实际散热效果有限。(2)降低外壳表面温度,增加设备的外壳体积,优化散热叶片设计,加大表面积;(3)改善外壳温度均匀性,采用铸铝加厚外壳;方案(2)、(3)的缺点是对产品的外观、尺寸和重量有一定的限制,不能随意的增大。

相比于传统的散热材料及方案,“半固态压铸件+吹胀板”结合了半固态压铸件重量轻、散热性能好的优势和吹胀板热传导效率高、散热速度快的优势,有望成为 5G 基站AAU散热的主流方案。随着5G商用基站大规模建设的推进,将进而驱动半固态压铸件和吹胀板散热市场规模的增长。采用新型散热片结构设计以提升基站散热能力。例如散热片结构中的散热齿,下部热量上部扩散,造成散热齿结构上部温度高,降低散热效率,成为散热瓶颈。中兴通讯采用独特的V齿结构设计,改进散热气流,使冷空气正面进两侧出,避免热级联,散热提 升 20%,成为业界首创。华为也采用了独创的仿生散热技术——辊压接合散热齿,同样使基站的整体散热能力提升20%。


来源:11-1309:02《酷扯儿》官方帐号


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