5G手機散熱材料（技術(shù)）和國內(nèi)外生產(chǎn)廠家梳理
散熱材料和技術(shù)當(dāng)前主要被應(yīng)用在消費電子、通信設(shè)備、新能源汽車、工業(yè)、醫(yī)療、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。其中消費電子和通信設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用需求最大，市場占比較超過80%。隨著智能手機、計算機、可穿戴設(shè)備等消費電子產(chǎn)品配置升高，消費電子產(chǎn)品硬件不斷升級，硬件的升級對散熱性能提出了更高的要求，推動散熱材料需求擴增。以智能手機為例，5G手機在內(nèi)部硬件配置和整體架構(gòu)設(shè)計上，與傳統(tǒng)4G手機有很大的不同，5G手機無論是從芯片、天線設(shè)計、存儲空間及速度還是空間布局、相素等，都較4G手機具有明顯提升。這些硬件的堆砌將為手機尺寸在更緊湊化的趨勢下帶來更高的發(fā)熱量，手機散熱需求也愈發(fā)苛刻。目前，手機散熱技術(shù)各不相同，所以一般為了讓手機散熱性能更強，旗艦手機就會采用組合方式將這些散熱材料和技術(shù)搭配使用，優(yōu)勢互補。
以手機芯片為例，4G手機的芯片功率為1W-2W，導(dǎo)熱凝膠、石墨片、手機中框等均可實現(xiàn)散熱。但5G手機芯片最大功率將達(dá)到5W-7W，傳統(tǒng)的石墨片難以解決，催生新的材料，如石墨烯、超薄熱管、超薄均熱板等材料。如下表所示，更多的手機廠商采用了多種散熱方式結(jié)合來進行手機的散熱，隨著石墨烯技術(shù)逐漸成熟，均熱板散熱成本減低，預(yù)計未來此種復(fù)合方案應(yīng)用比例會進一步提高。
部分5G手機的散熱方案對比
同時，未來電子設(shè)備小型化趨勢促使散熱材料和技術(shù)向多功能發(fā)展。在保證高導(dǎo)熱能力的同時還可兼顧電磁屏蔽、濾波、儲熱等功能，實現(xiàn)散熱材料功能的最大化。例如，階段智能手機多采用玻璃（1.09 W/m·K）、陶瓷（20 W/m·K）、合金（236 W/m·K）和塑料（0.65 W/m·K）作為外殼材料。在導(dǎo)熱性能方面，玻璃、陶瓷和塑料比合金差，手機內(nèi)部需填充更多導(dǎo)熱材料才可達(dá)到合金外殼手機同等散熱效果，但是金屬材料會對手機信號造成干擾。在5G時期，采用Massive MIMO技術(shù)，手機天線數(shù)量將從4G時代的2-4根變?yōu)?根甚至16根，由于電磁波會被金屬屏蔽，在5G天線數(shù)量增多以及電磁波穿透能力變?nèi)醯那闆r下，金屬外殼已經(jīng)不再適用。手機外殼是手機的兩條重要傳熱路徑之一，在5G手機外殼非金屬化時代下，很大程度上增加了散熱材料和技術(shù)的熱管理方案的設(shè)計難度。以下筆者簡要梳理了目前主流的手機散熱材料和散熱技術(shù)的技術(shù)特點，及各材料或技術(shù)的優(yōu)點和缺點。
一、熱界面材料
1.1 導(dǎo)熱凝膠
導(dǎo)熱凝膠是一種較為新穎的熱界面材料。其作用機制是將還未固化的液態(tài)聚合物通過用手動或自動的方式填入電子設(shè)備的界面之中，然后再在一定條件下固化成熱固性聚合物材料，從而實現(xiàn)最大程度地貼合兩相界面，減少空隙。一般的導(dǎo)熱凝膠是由高導(dǎo)熱的填料與高分子基體組合而成。根據(jù)導(dǎo)熱填料是否導(dǎo)電能夠?qū)?dǎo)熱凝膠分為兩類：絕緣導(dǎo)熱凝膠（如AlN/環(huán)氧膠）以及導(dǎo)電導(dǎo)熱凝膠（如銀粉/環(huán)氧膠）。制備導(dǎo)熱凝膠所使用的高分子樹脂基體主要有有機硅、聚氨酯、環(huán)氧以及其他類的導(dǎo)熱凝膠。
優(yōu)點：對比導(dǎo)熱墊片，導(dǎo)熱凝膠更加柔軟，表面親和力更強，在外力下可將導(dǎo)熱凝膠壓縮到0.1mm，因此設(shè)備使用起來可以避免產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。對比導(dǎo)熱膏，導(dǎo)熱凝膠操作更加簡便，導(dǎo)熱膏一般使用絲網(wǎng)印刷或直接刷涂，影響環(huán)境，并且具有流動性可能導(dǎo)致電路板短路，導(dǎo)熱凝膠可以成型為任意形狀，對于不規(guī)則界面也能確保緊密接觸。另外，導(dǎo)熱凝膠在使用中可以很好地附著在固體表面，無滲油和干燥問題，具有耐高溫，耐老化，可靠性高的特點，可在-40-150℃溫度范圍內(nèi)長期工作。
缺點：導(dǎo)熱凝膠使用中需要進行固化步驟，其熱導(dǎo)率比導(dǎo)熱膏低，另外導(dǎo)熱凝膠的粘結(jié)性能較弱，使用過程中可能導(dǎo)致分層現(xiàn)象，影響電子設(shè)備有效散熱。
導(dǎo)熱凝膠
1.2 冰巢散熱——相變材料
相變材料是一種具有良好導(dǎo)熱性能的相變材料的總稱，是指能夠隨著溫度的變化由固態(tài)變成液態(tài)，并能夠降低界面熱阻實現(xiàn)熱量傳遞的一種復(fù)合材料。相變材料通常在50-80 ℃范圍內(nèi)熔化，并具有多種填料結(jié)構(gòu)配置以增強其導(dǎo)熱性。相變材料的熔點通常被設(shè)計為低于電子元器件的最高工作溫度，如果相變溫度較低，當(dāng)環(huán)境溫度過高時，相變材料發(fā)生相變的可能性就會增加。相變材料分為無機類相變材料、有機類相變材料和混合類相變材料，其中石蠟是常見的一種相變材料，向石蠟中填充導(dǎo)熱填料能夠制備出導(dǎo)熱性能較好的相變材料。
優(yōu)點：相變材料綜合了導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱墊片各自的優(yōu)點，在溫度到達(dá)其相變點前，它具有和導(dǎo)熱墊片不相上下的彈性及塑性，不會出現(xiàn)被擠出的現(xiàn)象；隨著產(chǎn)熱元件的工作溫度逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到相變材料的熔點以上時，相變材料就會發(fā)生相變成為液態(tài)，這個時候和導(dǎo)熱膏類似, 他能夠充分地填充界面之間的空隙，從而極大程度地降低了界面之間的熱阻。
缺點：相變材料的熱導(dǎo)率比導(dǎo)熱膏低。另外，在使用過程中，由于要求利用一定的壓力作用來增加其傳熱效率，因此也會導(dǎo)致其機械應(yīng)力的增加。
相變材料
熱界面材料上游包括玻璃纖維、硅膠、氧化鋁、樹脂材料等，這些材料大部分市場供應(yīng)充足，不存在稀缺性，因此熱界面材料下游應(yīng)用十分廣泛，主要包括通信設(shè)備、電子設(shè)備、汽車和家用電器等領(lǐng)域。熱界面材料供應(yīng)商主要有萊爾德、德國漢高、固美麗、道康寧、信越化學(xué)、富士等，占據(jù)90%以上的市場份額。我國企業(yè)在熱界面材料方面起步較晚，中石科技、飛榮達(dá)等在熱界面材料方面有一定產(chǎn)品積累，在導(dǎo)熱膏與導(dǎo)熱墊片領(lǐng)域的產(chǎn)品較為成熟，已初步完成產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品及體系認(rèn)證并實現(xiàn)批量供貨，但高技術(shù)含量高附加值的相變材料與導(dǎo)熱凝膠產(chǎn)品還處于摸索階段。
二、石墨片/石墨烯
石墨是相較于銅和鋁等金屬更好的導(dǎo)熱材料，主要原因在于石墨具有特殊的六角平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以將熱量均勻地分布在二維平面并有效地轉(zhuǎn)移。石墨烯又稱單層石墨，具有快速導(dǎo)熱特性和散熱特性，是現(xiàn)階段已知導(dǎo)熱系數(shù)最高的導(dǎo)熱材料，其理論導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 5300W/m·K。
2.1 石墨片/膜
石墨片/膜是一種碳分子高結(jié)晶態(tài)組成的導(dǎo)熱材料，由于具有獨特晶粒取向，石墨片可沿兩個方向（X-Y軸）散熱。在水平方向上，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)為300~1900 W/m·K，而銅和鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為200~400 W/m·K。在垂直方向上，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)僅為5~20 W/m·K。因此，石墨具備良好的水平導(dǎo)熱、垂直阻熱效果。同時，石墨的比熱容與鋁相當(dāng)，約為銅的2倍，這意味著吸收同樣的熱量后，石墨溫度升高僅為銅的一半。石墨片可分為天然石墨片和人工石墨片：天然石墨片有導(dǎo)熱性良好、柔軟易加工、無氣味和液體滲透性等特點，但天然石墨片難以加工成薄片，在電子設(shè)備中會占用較大空間且與人工石墨片相比導(dǎo)熱性能較低。人工石墨膜導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)高于天然石墨，散熱速度極快輕薄，可有效節(jié)省空間, 由聚酰亞胺（PI 膜）經(jīng)過碳化和石墨化制成, 是當(dāng)前最薄的散熱材料，最薄可做到0.01mm。
優(yōu)點：基于高導(dǎo)熱系數(shù)、高比熱容和低密度等性能優(yōu)勢，石墨片目前是手機等消費電子產(chǎn)品的主流散熱材料。缺點：石墨片相對較厚，不利于消費電子產(chǎn)品小型化，薄型化的要求。石墨膜的上游高端聚酰亞胺材料掌控在國外廠商手中。
石墨片/膜
2.2 石墨烯
石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)，理論導(dǎo)熱率達(dá)到 5300W/m·K，遠(yuǎn)高于石墨。它是由單層碳原子經(jīng)電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，厚度僅為 0.335nm，又稱為單層石墨，是碳納米管、富勒烯的同素異形體。利用石墨烯制成的高導(dǎo)熱石墨烯散熱片具有極高的導(dǎo)熱率和熱輻射系數(shù)，應(yīng)用于智能手機、電腦等電子產(chǎn)品中，可有效提升設(shè)備性能、提高設(shè)備使用壽命。同時，石墨烯還可被用于制作復(fù)合材料，生成熱導(dǎo)纖維和導(dǎo)熱塑料。石墨烯所形成的導(dǎo)熱塑料具有散熱性能好、成本低、重量輕、易生產(chǎn)等優(yōu)勢，可用于電子產(chǎn)品塑料外殼生產(chǎn)等領(lǐng)域。
優(yōu)點：石墨烯的快速導(dǎo)熱特性與快速散熱特性，使其成為傳統(tǒng)石墨散熱膜的理想替代材料。
缺點：新興技術(shù)，成本較高，大尺寸薄膜制備難題正在逐步攻克。
石墨烯
石墨片是消費電子領(lǐng)域的主流材料，智能手機中主要使用人工合成石墨片/膜，用量視手機性能和要求而定，大概在3~6片，使用到的部件包括鏡頭、CPU、OLED顯示屏、WiFi 天線、無線充電器和電池等。目前石墨片/膜行業(yè)主要參與者為日本松下、美國 Graftech、日本 Kaneka、碳元科技、中石科技和飛榮達(dá)等。日本松下和美國 Graftech 進入該領(lǐng)域較早，技術(shù)成熟，主打高端市場。國內(nèi)碳元科技、中石科技和飛榮達(dá)等已經(jīng)進入三星、華為等主要手機廠商的供應(yīng)鏈。由于石墨片行業(yè)進入門檻相對較低，普通石墨片產(chǎn)品的單價有一定壓力，行業(yè)往高導(dǎo)熱率，質(zhì)量輕，可塑性好的石墨烯升級。
三、熱管/均熱板
熱管和均熱板（Vapor Chamber，VC，真空腔均熱板散熱技術(shù)）是電子產(chǎn)品中常用的散熱強化部件，導(dǎo)熱系數(shù)非常高，在高功率或高集成度電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。
3.1 熱管
液冷散熱依賴的是一種叫做「熱管」的元件，熱管本質(zhì)上是含有液體的中空閉合管道，液體在管路的蒸發(fā)段蒸發(fā)吸熱，成為氣體，到管路的冷凝段冷凝成液體放熱。電腦端的液冷散熱中的冷卻液常用材料是水，手機端要求較PC端更高，常用優(yōu)質(zhì)材料作為冷卻液。
優(yōu)點：液冷散熱的優(yōu)點在于使用壽命長和設(shè)置靈活，同時因為技術(shù)相對成熟，成本也比較小一些。
缺點：熱管為一維線性熱傳導(dǎo)，無法實現(xiàn)面上二維散熱模式，價格比石墨片貴。
熱管
3.2 均熱板
均熱板（VC）散熱又稱真空腔均熱板散熱技術(shù)，是一個內(nèi)壁具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的真空腔體，通常由銅制成。當(dāng)熱量由熱源傳導(dǎo)至VC腔體時，腔體里的冷卻液受熱后開始產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，液體氣化吸熱，凝結(jié)后的冷卻液會借由微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管道（整個循環(huán)的驅(qū)動力是毛細(xì)力）再回到蒸內(nèi)發(fā)熱源處，此過程可以不斷反復(fù)進行。
優(yōu)點：VC均熱板是目前最新的第三代散熱技術(shù)，可以被看作熱管的升級技術(shù)，不同于熱管的一維熱傳導(dǎo)， VC均熱板升級到整個面，可以更快地將熱量從二維面上帶走。
缺點：均熱板會隨不同電子元器件尺寸的大小而有不同的設(shè)計，制作工藝相較復(fù)雜，制作成本較高。
均熱板
熱管技術(shù)成熟較早，在計算機、投影儀等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，目前超薄的熱管已經(jīng)應(yīng)用到手機終端。均熱板成本較高且超薄款工藝難度較高，目前在手機端的應(yīng)用還僅配置在旗艦款手機上。目前熱管和均熱板的主要供應(yīng)商為中國臺灣廠商，包括雙鴻、超眾、泰碩等，覆蓋全球主流的服務(wù)器、計算機和手機廠商等下游客戶。國內(nèi)方面，碳元科技于 2018年投資設(shè)立常州碳元熱導(dǎo)科技有限公司，主要從事超薄熱管/均熱板及相關(guān)材料的研發(fā)和生產(chǎn)。飛榮達(dá)于2018年收購昆山品岱 55%股權(quán)，擁有熱管/均熱板生產(chǎn)能力。
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