手机散热解决方案

手机散热解决方案

手机散热解决方案

针对手机散热所使用的主要材料

传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等TIM 材料（导热界面材料）为主，石墨片存在导热系数相对较低、厚度相对较大等问题。目前，热管和VC（均热板）开始从电脑、服务器等领域渗透到智能手机终端，石墨烯材料也开始应用。相对而言，VC和石墨烯的导热系数高、厚度低，是性能更佳的散热材料。现在的主流散热材料为石墨膜，单手机用量为3～6片，是相较铜和铝等金属更好的导热材料。由表可知在水平方向上石墨的导热系数相较于铜和铝高得多，而且其具有特殊的六面平角网状结构，可以将热量均匀地分布在二维平面并有效地转移。而且其在垂直方向上的导热较差，可以阻热。可以让人们在使用手机能有一个好的体验。并且通过图表可以看出，其比热容也较大并且密度小。基于这些性能上的优势，石墨已经大规模运用于智能手机成为主流散热材料。

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而我们所设计的方案决定使用导热系数最高的石墨烯来作为我们手机散热的主要材料，石墨烯膜的理化性能丰富，并且我国生产石墨烯具有明显优势。石墨烯是已知的导热系数最高的物质，理论导热率达到了5300W’’K，远高于石墨。它是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体，厚度仅为，又称为单层石墨，是碳纳米管、富勒烯的同素异形体。石墨烯的快速导热特性，使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料。

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石墨烯产品形态包括薄膜和粉体两类，我们利用石墨烯进行散热，所以需要的是石墨烯薄膜。而且我国石墨烯理论研究和产业化均位居世界前列。理论研究方面，根据石墨烯产业联盟的数据，截止2021年，在全球主要优先权专利申请统计中，我国石墨烯专利占比达58%（其次是韩国和美国）；产业化方面，石墨烯在战略前沿材料中占据关键地位，中国计划实现石墨烯产业“2021年形成百亿产业规模，2025年整体产业规模破千亿”的发展目标。

导热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），是常见散热方式中的

一种，普遍用于 IC 封装和电子散热。在组装微电子材料和散热器时，它们之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果直接进行安装，它们之间的实际接触面积只有散热器底座面积的10%，其余均为空气间隙。而空气是热的不良导体，将严重阻碍热量的传导，最终造成散热器的效能低下。导热界面材料的作用是充满这些空气间隙，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，减少传热热阻，提高散热性能。导热界面材料种类众多，主要包括导热硅脂、导热硅胶片、导热相变材料和导热双面胶。其中，导热硅脂具有良好的流动性，可以以点胶、印刷等方式侕于发热器件上，适用于更小间隙或零间隙使用的导热功能复合材料。导热硅脂具有超低的热阻，因此适用于高发热量紧密贴合场景，具有导热产品最低的使用厚度，可以快速将设备热量传输出去从而达到良好的温控。此外，视不同场景和需求，导热硅胶片、相变材料和双面胶也都有广泛应用。

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在我们的手机散热方案中我们决定使用导热凝胶，热凝胶系列产品是一款双组份预成型导热硅脂产品，主要满足产品在使用时低应力，高压缩模量的需求，可实现自动化生产，与电子产品组装时与良好的接触，表现出较低的接触热阻和良好的电气绝缘特性。这种材料同时具有导热垫片和导热硅脂的某些优点，较好的弥补了二者的弱点。导热凝胶继承了硅胶材料亲和性好，耐候性、耐高低温性以及绝缘性好等优点，同时可塑性强，能够满足不平整界面的填充，可以满足各种应用下的传热需求。具有高效导热性能、低压缩力应用、低应力，高压缩比、高电气绝缘、良好的耐温性能、可实现自动化使用等性能。而且最为重要的原因是在所设计的导热方案中凝胶是最为合适的热填充材料。

对于手机外壳，手机外壳不仅是手机强有力的防护伞，能有效地减少灰尘的侵袭，降低意外摔落的损害，增强手机的使用寿命，更重要的是能够良好散热并提升使用者的产品体验。因此，制作手机外壳的材料要求具有强度高、耐热导热性良好、具有电磁屏蔽性、尺寸稳定、外观好等特点，现如今运用在手机外壳上的材料有工程塑料，金属材料，玻璃，复合材料，陶瓷等。而在此次手机散热方案中我们选择将手机制成铝镁合金边框以及前后玻璃面板，因为铝镁合金具有良好的导热性能，而且镁合金具有较高的比强度、比刚度、良好的切削加工性和易于回收等优点。而采用玻璃后壳，虽然玻璃后壳的导热性能没有金属更好，相比

金属，玻璃的硬度和抗冲击力是最好的，但比塑料更具通透感，比金属更易着色，此外，玻璃对无线信号的影响也低而且玻璃材质在使用时手感更好，并且由于无线充电的普及，玻璃材质比金属更好。

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手机散热结构

当今智能手机的热设计中,由于CPU性能不断提升，功耗越来越高，传统的散热器由于空间问题无法用在手机上，加上手持产品密闭的特性，使得智能机的热设计面临前所未有的挑战。超薄热管在传统热管的基础上进行工艺改良，使厚度可以做到以内，这样使得热管在智能机应用成为可能，是高性能平台智能机散热的极佳方案。

智能机超薄热管散热方案由于手机作为手持电子设备不能用风扇来散热，所以手机的热设计是以被动传导散热为主，当前手机散热方案采用金属或石墨膜，由于常见金属支架(镁合金、铝合金等)导热系数最高才200W. K多，石墨膜最高才1000W/多，当CPU功耗越来越高的时候，这些材料已经不能满足手机散热的要求，通常手机在运，行大型程序载荷的时候一方面由于 CPU结温上升过快导致很快降频影响手机性能;另一方面手机表面温度会超出人体感知的舒适温度，影响消费者的用机体验。热管是利用液体发生相变产生吸放热来进行热量的传递的.

智能机散热系统分析整个散热系统的导热路径为: CPU产生热量经过热界面材料传导到热管，热管将热量快速传导到铜箔均匀散开，铜箔的热量进一-步传导到石墨烯散热膜再均匀散开，同时石墨烯散热膜在手机平面方向把热量传导到铝镁合金支架上最后均开。

智能机超薄热管散热的设计优化其中，Rh为热管本体的等效热阻。Ra为CPU 表.面至热管表面的等效热阻，包括CPU表面和TIM材料之间的接触热阻，TIM 材料本身的热阻，以及TIM材料表面与热管外壁之间的接触热阻。Rb为热管表面至空气外环境的等效热阻，包括热管铜箔到石墨烯散热膜的热阻、石墨烯散热膜到屏幕的热阻以及屏幕向环境空间对流、辐射热阻。与同体积的其他优良导热金属相比，热管的导热能力很强，等效导热系数可以达到20000W/(m . K)以上，是普通金属导热的百倍以上，因此智能CPU向外环境散热路径中，超薄热管的热