行业洞察丨5G火热,却也要及时降温

行业洞察丨5G火热,却也要及时降温
2021年09月11日 18:09 路演时刻

热失效是电子设备主要的失效方式,在设备高性能、小型化发展趋势下,电子设备单位体积产生的热量持续上升,散热设计在电子设备开发中重要性越来越大。5G 时代电子设备功耗上升明显,热管/均热板将从笔电、服务器散热领域向智能手机散热渗透, 5G 智能手机散热市场规模达到百亿空间。

散热,是5G必须考虑的问题

随着集成电路工艺、集成度、工作速度提升,电子设备朝小型化发展、元件密度增大、电源续航能力提高,电子设备系统功耗增加,单位体积产生的热量持续上升。而高温使得大多数电子元器件性能改变甚至失效,从而引起整个电子设备的故障。

一方面,电子元件的“10℃法则”显示,电子元件的故障发生率随工作温度的提高呈指数增长,温度每升高10℃,系统可靠性降低50%。另一方面,热失效是电子设备失效的最主要原因,电子设备失效有55%是因为温度过高引起。

在4G时代,手机发热问题就已备受关注。随着手机温度的提升,手机芯片会通过降低显示刷新频率的方式进行自我保护,导致手机性能大幅下降甚至出现卡顿现象。

在5G时代,智能手机进行了全方位的升级,包括处理器性能大幅提升、采用高屏幕分辨率及高屏幕刷新率、射频前端模组化及复杂程度提升、摄像头模组升级、电池容量及充电功率增加,在此背景下,5G手机对散热的要求进一步提高。

从材料散热到相变散热,超薄将是未来趋势

智能手机的散热设计可以划分为三个阶段: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;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;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。

2015 年之前,智能手机散热以石墨散热为主

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。

苹果于2010年发布的iPhone4在不锈钢中板上粘贴了石墨散热膜用于屏幕散热,也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;小米于2011年发布的小米1,在背盖、处理器屏蔽罩、LCD不锈钢框架等位置粘贴了大面积的石墨散热膜,并以此作为重要卖点之一。石墨散热膜在经过苹果挖掘、小米宣扬后迅速成为当时智能手机采用的主要散热材料,三星、华为、OPPO、VIVO、中兴、联想等厂商相继导入使用。

2016-2018 年,智能手机散热以热管散热为主

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;液体通过腔体内的毛细结构(吸液芯)再回流到发热区域,循环往复,将发热部位产生的热量带走散发掉。

2016年2月三星发布旗舰手机GalaxyS7,搭载高通骁龙820处理器并使用超薄热管技术,散热效果得到显著提升。随后,三星在GalaxyS8、GalaxyS9等旗舰款手机中延续了热管散热方案,开启了智能手机热管散热的潮流。各手机品牌也纷纷跟进热管散热技术,如360手机的“太空水冷散热系统”、微软Lumia手机的“液态冷却技术”、中兴的“主动循环纳米导热系统”、黑鲨手机的“多级直触一体式液冷系统”都是基于热管散热技术。

2019 年至今,智能手机散热以均热板散热为主、石墨/石墨烯散热为辅

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。

2020年各品牌旗舰5G手机选择以VC均热板为主、石墨及石墨烯等为辅的散热组合。2020年2月份发布的小米10系列手机采用了VC均热板+石墨烯+6层石墨的“三明治”散热系统,大大提升了整机散热能力;三星GalaxyS20Ultra采用VC均热板+石墨+高导碳纤维垫片的散热方案。2020年3月发布的华为P40pro手机采用VC均热板+3D石墨烯的散热方案;VIVONEX3s、OPPOFindX2采用VC均热板散热技术。

综合来看,现阶段传统手机散热方案难以单独满足5G手机散热要求,以VC均热板为主、石墨及石墨烯等为辅的散热组合或成为主流散热方案。除此之外,超薄VC和超薄热管是VC和热管在5G手机散热的发展方向,其中超薄热管因其性价比方面的优势有望在某些机型中替代VC。

台系领先一步,大陆厂商有望接棒

热管和VC均热板的供应链主要在台湾,是一批在PC时代伴随芯片厂商和终端品牌商成长起来的企业。台湾散热模组厂商的下游客户覆盖全球主流的服务器、计算机、笔电和手机厂商,约占据全球PC 90%以上出货量。台湾热管、VC的代表性企业包括超众(6230-TW)、双鸿(3324-TW)、泰硕(3338-TW)、奇鋐(3017-TW)等。

台湾热管/VC散热企业已经率先抢夺5G智能手机第一波散热红利,不过中石科技、碳元科技、垒石、威铂驰等大陆厂商也在纷纷发力,通过外延或自研方式切入VC、热管领域,切分手机热管/VC散热原有主力供应商的市场份额。

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