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行業洞察丨5G火熱,卻也要及時降溫

熱失效是電子裝置主要的失效方式,在裝置高效能、小型化發展趨勢下,電子裝置單位體積產生的熱量持續上升,散熱設計在電子裝置開發中重要性越來越大。5G 時代電子裝置功耗上升明顯,熱管/均熱板將從筆電、伺服器散熱領域向智慧手機散熱滲透, 5G 智慧手機散熱市場規模達到百億空間。

散熱,是5G必須考慮的問題

隨著積體電路工藝、整合度、工作速度提升,電子裝置朝小型化發展、元件密度增大、電源續航能力提高,電子裝置系統功耗增加,單位體積產生的熱量持續上升。而高溫使得大多數電子元器件效能改變甚至失效,從而引起整個電子裝置的故障。

一方面,電子元件的“10℃法則”顯示,電子元件的故障發生率隨工作溫度的提高呈指數增長,溫度每升高10℃,系統可靠性降低50%。另一方面,熱失效是電子裝置失效的最主要原因,電子裝置失效有55%是因為溫度過高引起。

在4G時代,手機發熱問題就已備受關注。隨著手機溫度的提升,手機晶片會透過降低顯示重新整理頻率的方式進行自我保護,導致手機效能大幅下降甚至出現卡頓現象。

在5G時代,智慧手機進行了全方位的升級,包括處理器效能大幅提升、採用高螢幕解析度及高螢幕重新整理率、射頻前端模組化及複雜程度提升、攝像頭模組升級、電池容量及充電功率增加,在此背景下,5G手機對散熱的要求進一步提高。

從材料散熱到相變散熱,超薄將是未來趨勢

智慧手機的散熱設計可以劃分為三個階段:第一階段(2010-2015 年)智慧手機主要採用以石墨散熱膜為主的基於熱傳導原理的散熱方案;第二階段(2016-2018 年)智慧手機主要採用以熱管(液冷)散熱為主的散熱方案;第三階段(2019 年至今)智慧手機主要採用以 VC 均熱板散熱為主、石墨及石墨烯等散熱技術為輔的散熱組合方案。

2015 年之前,智慧手機散熱以石墨散熱為主

石墨散熱膜是一種奈米先進複合材料,適應任何表面均勻導熱,具有 EMI 電磁遮蔽效果。

蘋果於2010年釋出的iPhone4在不鏽鋼中板上貼上了石墨散熱膜用於螢幕散熱,也在主機板和玻璃背蓋上也分別貼上了石墨散熱膜用於晶片及電池的散熱;小米於2011年釋出的小米1,在背蓋、處理器遮蔽罩、LCD不鏽鋼框架等位置貼上了大面積的石墨散熱膜,並以此作為重要賣點之一。石墨散熱膜在經過蘋果挖掘、小米宣揚後迅速成為當時智慧手機採用的主要散熱材料,三星、華為、OPPO、VIVO、中興、聯想等廠商相繼匯入使用。

2016-2018 年,智慧手機散熱以熱管散熱為主

熱管散熱的基本原理是利用腔體中的水從液體變為氣體吸收熱量,當氣體觸及到溫度較低的區域時,凝結為液體釋放熱量;液體透過腔體內的毛細結構(吸液芯)再回流到發熱區域,迴圈往復,將發熱部位產生的熱量帶走散發掉。

2016年2月三星釋出旗艦手機GalaxyS7,搭載高通驍龍820處理器並使用超薄熱管技術,散熱效果得到顯著提升。隨後,三星在GalaxyS8、GalaxyS9等旗艦款手機中延續了熱管散熱方案,開啟了智慧手機熱管散熱的潮流。各手機品牌也紛紛跟進熱管散熱技術,如360手機的“太空水冷散熱系統”、微軟Lumia手機的“液態冷卻技術”、中興的“主動迴圈奈米導熱系統”、黑鯊手機的“多級直觸一體式液冷系統”都是基於熱管散熱技術。

2019 年至今,智慧手機散熱以均熱板散熱為主、石墨/石墨烯散熱為輔

VC均熱板散熱在原理上與熱管散熱類似,區別在於熱管只有單一方向的“線性”有效導熱能力,而VC均熱板相當於從“線”到“面”的升級,可以將熱量向四面八方傳遞,有效增強散熱效率。

2020年各品牌旗艦5G手機選擇以VC均熱板為主、石墨及石墨烯等為輔的散熱組合。2020年2月份釋出的小米10系列手機採用了VC均熱板+石墨烯+6層石墨的“三明治”散熱系統,大大提升了整機散熱能力;三星GalaxyS20Ultra採用VC均熱板+石墨+高導碳纖維墊片的散熱方案。2020年3月釋出的華為P40pro手機採用VC均熱板+3D石墨烯的散熱方案;VIVONEX3s、OPPOFindX2採用VC均熱板散熱技術。

綜合來看,現階段傳統手機散熱方案難以單獨滿足5G手機散熱要求,以VC均熱板為主、石墨及石墨烯等為輔的散熱組合或成為主流散熱方案。除此之外,超薄VC和超薄熱管是VC和熱管在5G手機散熱的發展方向,其中超薄熱管因其價效比方面的優勢有望在某些機型中替代VC。

臺系領先一步,大陸廠商有望接棒

熱管和VC均熱板的供應鏈主要在臺灣,是一批在PC時代伴隨晶片廠商和終端品牌商成長起來的企業。臺灣散熱模組廠商的下游客戶覆蓋全球主流的伺服器、計算機、筆電和手機廠商,約佔據全球PC 90%以上出貨量。臺灣熱管、VC的代表性企業包括超眾(6230-TW)、雙鴻(3324-TW)、泰碩(3338-TW)、奇鋐(3017-TW)等。

臺灣熱管/VC散熱企業已經率先搶奪5G智慧手機第一波散熱紅利,不過中石科技、碳元科技、壘石、威鉑馳等大陸廠商也在紛紛發力,透過外延或自研方式切入VC、熱管領域,切分手機熱管/VC散熱原有主力供應商的市場份額。