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智能与5G时代电子产品散热需求大增,石墨烯散热膜出现井喷现象

2021-05-06 17:37
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内容提要
★电子设备单位功耗持续提升,散热的重要性不断提升
★业界领先的散热黑科技:石墨烯
★锦富技术稳步推进“高性能石墨烯散热膜项目”
(一)电子设备单位功耗持续提升,散热的重要性不断提升
高温对多数元器件将产生严重影响,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。电子设备在运行过程中会不断产生热量堆积在体内,因此在电子设备内部施加散热手段,使设备保持在合适温度非常重要。
在电子设备高性能、小型化发展趋势下,及时散热挑战提升,散热设计在电子设备开发中重要性加大。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。以智能手机为例,其处理器功耗不断增加,而机身厚度的不断压缩,电子设备面临的散热挑战不断加大,散热设计重要性持续提升。
 
以5G手机为例,功能创新带来功耗提升,散热需求随之升级。主要发热源为处理器、电池、摄像头、LED模组,5G手机需要支持更多的频段和实现更复杂的功能,天线数量翻倍,射频前端增加,处理器性能提升,同时智能手机向大屏折叠屏、多摄高清摄升级、大功率快充升级,使得手机内集成的功能模块更多更紧密。5G手机芯片功耗约11W,约是4G手机的2.5倍,散热需求强烈。目前4G广泛应用的散热材料有石墨片、导热界面材料等,受制于其导热系数的极限,已经很难满足5G手机需求。

变化因素 5G 零部件升级 5G 相对 4G 导热增量需求
芯片计算效率提升 5G芯片处理能力有望达到 4G芯片的5倍,耗电达2.5倍 处理器、CMOS 图像处理器等芯片发热密度和热量绝对值明显增加
频段、带宽增加 5G 智能手机天线数量可达 4G 手机的 5-10 倍,数据速率、频段明显提升 天线、射频前端等器件对散热在工艺、材料、性能上提出更高要求
电磁信号强度高 玻璃、陶瓷等非金属材料机壳替代存在电磁干扰问题的金属机壳 玻璃、陶瓷等非金属材料导热能力、散热性能比金属差, 需要数量更多、更有效的导热器件
防水性能升级 内部零部件与整机结构具有更高的密封性 封闭状态
轻薄化 内部器件集成化、模组化 内部器件更加紧凑、内部电磁信号干扰更严重,需要加强散热
屏占比提升、无线充电 全面屏、无线充电增加了散热量,减小了整机内部空间 散热需求增加
拍摄性能升级 后置双摄、三摄成为趋势,前置人脸识别采用结 构光方案,手机发热模组和发热密度大幅提升 散热需求明显提升

(二)业界领先的散热黑科技:石墨烯
石墨烯(Graphene)是2004年用微机械剥离法从石墨中分离出的一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型、呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯完美的结构赋予其超强导电性、良好的热传导性、良好的透光性及高柔性和高强度等材料特性,在新能源电池、涂料、柔性屏和传感器等领域的应用十分广泛。石墨烯上游为石墨、下游应用主要分为两个方面:一是石墨烯粉体,多掺杂在其他材料中使用,多应用于涂料和新能源电池领域;二是石墨烯薄膜,薄膜因为透明、导电、柔性好等优点,在散热材料、柔性显示和传感器等领域的应用十分广泛,具有很好的发展前景。
2018年,华为推出的mate20 X手机首次采用了石墨烯散热膜和液冷散热片组合的散热系统,而同年推出的苹果iPhone XS Max手机主板采用三层叠加封装技术,利用常规石墨散热膜和金属边框组合来散热,三星Note 9设置了水碳冷却散热系统,即通过储水铜制热管和碳纤维 TIM(热界面材料)组合来散热。实测数据证明华为mate20 X手机的散热效果远优于其他两款手机;在2020年一季度发布的5G手机中,OPPO、小米、vivo、三星、中兴等品牌依然较多采用VC均热板+超薄热管的散热方式,但华为坚持采用石墨烯散热膜来散热,并将其应用拓展到了平板电脑领域,目前华为Mate 20 X到Mate 30 Pro至华为P40系列及华为MatePad Pro 5G平板电脑都采用了石墨烯散热技术;2020年2月发布的小米10,则采用了石墨烯散热膜/VC/多层石墨片的立体式散热方案。随着智能手机散热技术的不断更迭和进步,石墨烯散热膜技术在5G时代已逐渐成为主流的散热技术。而随着手机柔性、可折叠趋势的兴起,石墨烯散热膜凭借其优异的热导性能及柔韧性,必将随着未来5G智能手机的发展在众多散热技术方案中脱颖而出,迎来高速发展。


 
(三)锦富技术稳步推进“高性能石墨烯散热膜项目”
泰兴挚富显示技术有限公司是“锦富技术(300128)”的控股子公司,于2019年3月25日在泰兴高新技术产业开发区注册成立。企业在石墨烯散热领域有着多年的研发基础及市场应用经验,产品广泛应用于智能终端、智能家居、电信通讯、工业自动化、电力能源、新能源汽车等行业。作为国内较早从事石墨烯散热膜技术研发的企业,见证了石墨烯散热膜的快速发展和广泛的应用的历程,积累了丰富的研发经验,形成了科学的管理体系。
企业G系列和F系列石墨烯散热膜是以高质量氧化石墨为初始原料,利用搅拌、均质、脱泡、涂布烘干、炭化、石墨化、压延、模切等设备,辅助以分散技术、涂布技术、石墨化还原技术等获得柔性好、强度高、厚度可控、散热性能好且晶格取向优异的石墨烯散热膜,配合贴膜、模切等技术加工成可满足客户需求的定制化零部件产品。产品在消除局部热点、平滑温度梯度、热传导以及改变热流方向等具有极高应用价值,属于产品散热解决方案中的重要应用材料。
 
 

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