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智能與5G時代電子產品散熱需求大增,石墨烯散熱膜出現井噴現象

2021-12-18 16:15:57
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★電子設備單位功耗持續提升,散熱的重要性不斷提升
★業界領先的散熱黑科技:石墨烯
★錦富技術穩步推進“高性能石墨烯散熱膜項目”
(一)電子設備單位功耗持續提升,散熱的重要性不斷提升
高溫對多數元器件將產生嚴重影響,使得大多數電子元器件性能改變甚至失效,從而引起整個電子設備的故障。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,熱失效是電子設備失效的最主要原因,電子設備失效有55%是因為溫度過高引起。電子設備在運行過程中會不斷產生熱量堆積在體內,因此在電子設備內部施加散熱手段,使設備保持在合適溫度非常重要。
在電子設備高性能、小型化發展趨勢下,及時散熱挑戰提升,散熱設計在電子設備開發中重要性加大。隨著集成電路工藝、集成度、工作速度提升,電子設備朝小型化發展、元件密度增大、電源續航能力提高,電子設備系統功耗增加,單位體積產生的熱量持續上升。以智能手機為例,其處理器功耗不斷增加,而機身厚度的不斷壓縮,電子設備面臨的散熱挑戰不斷加大,散熱設計重要性持續提升。

 
以5G手機為例,功能創新帶來功耗提升,散熱需求隨之升級。主要發熱源為處理器、電池、攝像頭、LED模組,5G手機需要支持更多的頻段和實現更復雜的功能,天線數量翻倍,射頻前端增加,處理器性能提升,同時智能手機向大屏折疊屏、多攝高清攝升級、大功率快充升級,使得手機內集成的功能模塊更多更緊密。5G手機芯片功耗約11W,約是4G手機的2.5倍,散熱需求強烈。目前4G廣泛應用的散熱材料有石墨片、導熱界面材料等,受制于其導熱系數的極限,已經很難滿足5G手機需求。

變化因素 5G 零部件升級 5G 相對 4G 導熱增量需求
芯片計算效率提升 5G芯片處理能力有望達到 4G芯片的5倍,耗電達2.5倍 處理器、CMOS 圖像處理器等芯片發熱密度和熱量絕對值明顯增加
頻段、帶寬增加 5G 智能手機天線數量可達 4G 手機的 5-10 倍,數據速率、頻段明顯提升 天線、射頻前端等器件對散熱在工藝、材料、性能上提出更高要求
電磁信號強度高 玻璃、陶瓷等非金屬材料機殼替代存在電磁干擾問題的金屬機殼 玻璃、陶瓷等非金屬材料導熱能力、散熱性能比金屬差, 需要數量更多、更有效的導熱器件
防水性能升級 內部零部件與整機結構具有更高的密封性 封閉狀態
輕薄化 內部器件集成化、模組化 內部器件更加緊湊、內部電磁信號干擾更嚴重,需要加強散熱
屏占比提升、無線充電 全面屏、無線充電增加了散熱量,減小了整機內部空間 散熱需求增加
拍攝性能升級 后置雙攝、三攝成為趨勢,前置人臉識別采用結 構光方案,手機發熱模組和發熱密度大幅提升 散熱需求明顯提升


(二)業界領先的散熱黑科技:石墨烯
石墨烯(Graphene)是2004年用微機械剝離法從石墨中分離出的一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型、呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯完美的結構賦予其超強導電性、良好的熱傳導性、良好的透光性及高柔性和高強度等材料特性,在新能源電池、涂料、柔性屏和傳感器等領域的應用十分廣泛。石墨烯上游為石墨、下游應用主要分為兩個方面:一是石墨烯粉體,多摻雜在其他材料中使用,多應用于涂料和新能源電池領域;二是石墨烯薄膜,薄膜因為透明、導電、柔性好等優點,在散熱材料、柔性顯示和傳感器等領域的應用十分廣泛,具有很好的發展前景。
2018年,華為推出的mate20 X手機首次采用了石墨烯散熱膜和液冷散熱片組合的散熱系統,而同年推出的蘋果iPhone XS Max手機主板采用三層疊加封裝技術,利用常規石墨散熱膜和金屬邊框組合來散熱,三星Note 9設置了水碳冷卻散熱系統,即通過儲水銅制熱管和碳纖維 TIM(熱界面材料)組合來散熱。實測數據證明華為mate20 X手機的散熱效果遠優于其他兩款手機;在2020年一季度發布的5G手機中,OPPO、小米、vivo、三星、中興等品牌依然較多采用VC均熱板+超薄熱管的散熱方式,但華為堅持采用石墨烯散熱膜來散熱,并將其應用拓展到了平板電腦領域,目前華為Mate 20 X到Mate 30 Pro至華為P40系列及華為MatePad Pro 5G平板電腦都采用了石墨烯散熱技術;2020年2月發布的小米10,則采用了石墨烯散熱膜/VC/多層石墨片的立體式散熱方案。隨著智能手機散熱技術的不斷更迭和進步,石墨烯散熱膜技術在5G時代已逐漸成為主流的散熱技術。而隨著手機柔性、可折疊趨勢的興起,石墨烯散熱膜憑借其優異的熱導性能及柔韌性,必將隨著未來5G智能手機的發展在眾多散熱技術方案中脫穎而出,迎來高速發展。


 
(三)錦富技術穩步推進“高性能石墨烯散熱膜項目”
泰興摯富顯示技術有限公司是“錦富技術(300128)”的控股子公司,于2019年3月25日在泰興高新技術產業開發區注冊成立。企業在石墨烯散熱領域有著多年的研發基礎及市場應用經驗,產品廣泛應用于智能終端、智能家居、電信通訊、工業自動化、電力能源、新能源汽車等行業。作為國內較早從事石墨烯散熱膜技術研發的企業,見證了石墨烯散熱膜的快速發展和廣泛的應用的歷程,積累了豐富的研發經驗,形成了科學的管理體系。
企業G系列和F系列石墨烯散熱膜是以高質量氧化石墨為初始原料,利用攪拌、均質、脫泡、涂布烘干、炭化、石墨化、壓延、模切等設備,輔助以分散技術、涂布技術、石墨化還原技術等獲得柔性好、強度高、厚度可控、散熱性能好且晶格取向優異的石墨烯散熱膜,配合貼膜、模切等技術加工成可滿足客戶需求的定制化零部件產品。產品在消除局部熱點、平滑溫度梯度、熱傳導以及改變熱流方向等具有極高應用價值,屬于產品散熱解決方案中的重要應用材料。
 
 

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