一文了解5G导热散热材料发展

热设计网 2020-11-13

5G时代的一个显著特点是发热量显著增加。随着功耗增加，对散热的要求更加的严苛，新的导热散热材料应用也更加广泛。

目前手机产品的发展趋势如下：

1. 5G芯片等电子元器件功耗增加，产生的热量更多

2. 内部结构设计更为紧凑，机身向非金属化演进，需额外散热设计补偿

3. OLED、可折叠屏应用引入带来导热材料的显著需求

4. 无线充电应用引入带来导热材料的显著需求

据报道，华为的5G芯片消耗的功率将是当前4G调制解调器的2.5倍，需要更多更好的散热模块以防止手机过热。从手机结构上来看，后盖是手机的一条重要传热路径，但由于5G时代金属将不再适用，玻璃材质的导热能力和铝合金相差较大，因此需要增加额外的散热设计，例如iPhone XS中，为了让双层主板更好的散热，主板正反面都贴有非常大块的散热石墨片，同时主板上的A12芯片也涂上了大量的导热硅脂进行散热。

图10 智能手机散热途径

图11 苹果XS散热石墨片及导热硅脂

OLED使用率快速提升，预计到2021年期间全球柔性OLED理论总产能面积将达到88%的复合增速，针对其散热的需求将同步增加。OLED屏幕相比LCD屏幕具备显示效果好、更轻薄、能耗低、可实现柔性效果等优点，但OLED材料高温受热易衰退，因此对散热要求大幅增加。例如苹果在iPhone X的OLED屏幕内侧贴了石墨片，面积较大，且要求非常平整，厚度0.1mm，为双层石墨。

可折叠手机的上市将进一步增加OLED使用量，从而显著增加对散热的需求。目前三星、华为等品牌厂商都在积极布局可折叠手机，并已发布上市，如Galaxy Fold、Huawei Mate X。

图12 折叠屏手机

无线充电技术的发展对散热也提出了较高需求。无线充电是指无需借助电导线，在发送端（无线充电器）和接收端（位于智能手机等设备中）用相应的设备发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术。苹果、三星、华为等领先品牌都已在旗舰机型上积极推出无线充电，根据Yole的数据，预计2018-2024年智能手机无线充电接收端销量的复合增速将达32.4%。由于手机中无线充电线圈的存在，iPhone X中的钢板中央开有大孔，但其阻碍了热量沿铝板传导，削弱了后盖的传热能力，因此苹果在线圈上贴铜箔石墨层来弥补。据中时电子报报道，由于OLED屏幕、Force Touch、无线充电及部份晶片的散热需求，iPhone X对人造石墨散热片用量为iPhone 8的2-4倍。

图13 iPhone手机充电线圈散热石墨层

目前应用的导热材料主要分为导热膏、片状导热填充材料、相变化导热界面材料、导热凝胶、石墨膜和热管等。

1.导热膏

导热膏是主要以有机硅酮为原料的导热硅脂和其他耐热、导热的材料复合而成的导热型有机硅脂状复合物。导热膏有本身导热率高、胶层厚度薄、附着压力最小、再加工性好等优点。它主要用于功率放大器、电子管、晶体管等电子器件的导热及散热，使用方式为丝网、钢板印刷，或是直接刷涂。

图14 导热膏示意图

2.片状导热填充材料

片状导热填充材料通常被称为导热硅胶片、导热硅胶垫等，具有优秀的导热能力、绝缘性、柔韧性等，是一款专门利用填补空隙来传递热量的产品，能够完美填充散热件和发热件之间的空隙，提高热传递效率。片状导热间隙填充材料可应用在各种元器件表面与散热器，外壳等之间起导热、绝缘、粘接、防震等作用。该类产品可任意裁切，利于满足自动化生产和产品维护。有些产品通过加玻璃纤维网、表面金属层等方式来增加其机械强度及可操作性，还有导热胶带等具有粘接等附加功能的产品。

图15 导热片示意图

3.相变化导热界面材料

相变化导热界面材料中的部分基材在受热后会从固态变到液态，使得材料更加贴合发热件表面从而获得更低的热阻来提高热传递效率。相变化导热界面材料在常温下是固体，十分便于大批量生产及管控，对很多表面黏贴封装器件使用非常方便，常用于计算机和外设、高性能计算机处理器、显卡、电源模块等的导热应用。

图16 相变导热硅胶垫示意图

4.导热凝胶

导热凝胶（GEL）是一种凝胶状态的导热材料，相对于导热垫片，更柔软且具有更好的表面亲和性，可以压缩至非常低的厚度，使传热效率显著提升，最低可以压缩到0.1mm。陶氏化学最新研发的针对于手机电子元件热管理的新型陶熙TC-3105有机硅导热凝胶，可以涂覆在芯片的封装表面，替代传统的成品散热垫，具有低成本、室温下或电子元件发热时固化从而提高接触面积的特点。

图17 导热硅凝胶示意图

5.石墨膜

导热石墨膜是一种碳分子高结晶态组成的全新高导热散热材料，能沿X、Y两个方向均匀高效导热，且石墨的片层状结构能适应多数表面，因此有着极佳的导热功能。高导热石墨膜平面内具有150~1700W/(m·K）的超高导热率，具有柔软、易加工的特点。温度适用范围广，石墨层不老化和脆化，适用于大多数化学品介质，广泛应用于智能手机、平板电脑等需要高散热解决方案的电子产品。

图18 石墨结构示意图

图19 石墨性能参数

从导热石墨膜的性能差异来看，主要分成单层、多层和复合型导热膜3类。其中单层高导热膜应用范围最广，复合型和多层高导热膜主要是在单层的基础上与铜箔或多层石墨膜复合而成。其中单层导热石墨膜最薄，多层导热石墨膜具备储热功能，复合型导热石墨膜则具备导热、储热、屏蔽辐射的功能。

从原材料分，导热石墨膜主要分为天然和人工两种。天然石墨散热膜不能做很薄，一般成品最薄做到0.1mm厚度，导热系数只有300~700W/(m·K）。人工石墨膜具备更加优秀的性能，更低的成本，需求空间非常大，纳米碳散热膜最薄可做到0.03mm，导热系数相较普通石墨散热膜显著提高。

图20 石墨散热膜

随着5G时代的到来，电子设备的核心零部件散热需求显著提升，对导热石墨膜材料将提出更多新的要求，如厚度更薄、导热性更好，以及可加工为3D结构产品等。由于石墨烯的导热性能超高，约5300W/(m·K），石墨烯导热膜的研制将会给散热带来大幅度提升，受制于生产工艺的影响，产能较低，研发进度较快的为华为实验室，其旗舰机Mate 30 Pro 5G已应用石墨烯散热膜，散热性能大幅提升。