〈分析〉一文看懂5G散熱新趨勢:VC+石墨烯

5G散熱新趨勢:VC+石墨烯(圖片:AFP)
5G散熱新趨勢:VC+石墨烯(圖片:AFP)

手機在功能機時代由於功能簡單,運算負載低,相對而言散熱問題並不是關鍵。隨著手機發展進入智慧化時代,手機性能高速提升、功能越來越強大。同時在追求輕薄短小及高續航力的需求之下,智慧手機功耗急劇增加,如何有效防止零組件過熱進而造成系統出錯,就成為各家大廠投入焦點。

現今高階智慧手機散熱主要採用以超薄均熱板 (VC) 為主,搭配石墨及石墨烯等散熱技術為輔的散熱組合方案,而中階機型則是使用熱導管結合石墨散熱的方案,至於低階機型主要純粹利用石墨散熱為主。 

資料來源: 電子材料圈
資料來源: 電子材料圈

石墨散熱片分為天然和人工兩大類,天然石墨散熱片具有高導熱性、易加工、柔韌、無氣體液體滲透性等特性,優點是不易老化和不易脆化,缺點則是不易做到太薄。

至於人工石墨散熱片的優點則是能做到超薄,散熱效果相對較佳,缺點則是價格偏高,但是在手機市場越來越追求高品質的趨勢下,人工石墨散熱片備受青睞。

不過在 VC、石墨烯等散熱技術的主導下,石墨散熱片在智慧手機,特別是 5G 手機的主導性漸漸被削減,但仍會以輔助散熱的形式存在於智慧手機內。

主流 VC 均熱板

VC 散熱的原理與利用熱導管類似,差別在於熱導管只有單一方向的線性導熱,而 VC 則相當於從「線」擴大至「面」的提升,可以將熱能向四面八方傳遞,有效強化散熱效率。

根據 PConline 提供的資料顯示,熱導管散熱的導熱係數為 5000~8000 W/(m×k),而 VC 導熱係數則可以達到 20000 W/(m×k) 以上。

同時 VC 散熱面積更大,可以覆蓋更多熱源區域達到整體散熱,且 VC 更加輕薄,符合目前手機輕薄化、空間利用最大化的發展趨勢。  

(資料來源: 台達電子) 熱導管散熱與 VC 散熱原理對照
(資料來源: 台達電子) 熱導管散熱與 VC 散熱原理對照

石墨烯 5G 世代散熱新選擇

近幾年石墨烯一詞大行其道,迅速在科技業成為一種顯學。石墨烯除了在電池上的應用外,其也憑藉優異的導熱、快速散熱 (與空氣對流) 及材質輕柔等特性,被認為是一種競爭力強的散熱材料。

石墨烯有高的熱傳導效率,單層懸空的石墨烯熱傳導效率高達 5300W/(m×k),遠遠高於傳統金屬散熱材料如銅 (約 400W/(m×k)) 和鋁 (約 240W/(m×k))。

而各品牌廠今年推出的旗艦新機在散熱模組中,已大量導入石墨烯材質,如小米 10 系列手機採用 VC + 石墨烯 + 6 層石墨的三明治散熱系統、三星 Galaxy S20 Ultra 採用 VC + 石墨 + 高導碳纖維墊片的散熱方案、華為 P40 pro 則採用 VC+3D 石墨烯的散熱模組。

綜合上述來看,過去手機散熱方案難以單獨滿足 5G 手機的散熱需求,以 VC 為主,加上石墨及石墨烯為輔的散熱系統漸漸成為主流散熱方案。

美、日大廠掌握石墨關鍵技術

在石墨散熱領域,美國、日本廠是產業領導者,即便陸廠在石墨烯散熱領域,擁有專利及礦產資源的優勢,但以技術的質量來看,與美日大廠仍有段差距。

根據 TrendBank 提供的資料顯示,目前石墨散熱膜的主要原材料 PI 是被美國杜邦、韓國 SKC Kolon、日本 Kaneka、宇部興產、台灣達邁等廠商壟斷。

至於石墨散熱膜則是由日本松下、Kaneka、美國 Graftech 等主導。陸廠則有碳元科技、北京中石、思泉等企業投入生產。

散熱重要性推升產業前景

在 5G 手機耗能大幅上升的背景下,散熱產業在未來擁有廣大的市場成長空間。在 5G 手機散熱領域中,單一的散熱材料難以滿足 5G 手機的散熱需求,新型散熱材料、立體散熱設計可望得到大規模應用,VC + 石墨 / 石墨烯的散熱組合未來將成為 5G 手機的新趨勢。
 


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