「解读」一文看懂5G散热新趋势：石墨烯

A背景介绍

在功能机时代由于功能简单，运算负载低，不存在处理器发热降频的问题，相对而言散热问题并不是关键。但随着手机发展进入智慧化时代，手机性能高速提升、功能越来越强大。同时在追求轻薄化及高续航的需求之下，智慧手机功耗急剧增加，发热问题逐步显露，如何有效防止零组件过热进而造成系统出错，就成为各家大厂投入焦点。

智能手机的散热设计可以划分为三个阶段：

第一阶段（2010-2015 年）智能手机主要采用以石墨散热膜为主的基于热传导原理的散热方案；

第二阶段（2016-2018 年）智能手机主要采用以热管（液冷）散热为主的散热方案；

第三阶段（2019 年至今）智能手机主要采用以 VC 均热板散热为主、石墨及石墨烯等散热技术为辅的散热组合方案。

现今高阶智慧手机散热主要采用以超薄均热板(VC) 为主，搭配石墨及石墨烯等散热技术为辅的散热组合方案，而中阶机型则是使用热导管结合石墨散热的方案，至于低阶机型主要纯粹利用石墨散热为主。

资料来源: 电子材料圈

B石墨散热片

石墨散热片分为天然和人工两大类，天然石墨散热片具有高导热性、易加工、柔韧、无气体液体渗透性等特性， 一般热传导率在 700~1200W/(m· k)， 优点是不易老化和不易脆化，缺点则是不易做到太薄， 一般成品最好做到 0.1mm厚度 。

至于人工石墨散热片的优点则是能做到超薄， 热传导率在 1000~1500W/(m· k)， 散热效果相对较佳，缺点则是价格偏高，但是在手机市场越来越追求高品质的趋势下，人工石墨散热片备受青睐。

不过在 VC、石墨烯等散热技术的主导下，石墨散热片在智慧手机，特别是 5G 手机的主导性渐渐被削减，但仍会以辅助散热的形式存在于智慧手机内。

热管散热工作流程图

资料来源：中关村在线

C热管（液冷）散热

液冷散热在手机内部以热管/均热板的形式存在，利用液体传热过程中汽化和液化不断转变的特性传递热量。热管散热的基本原理是利用腔体中的水从液体变为气体吸收热量， 当气体触及到温度较低的区域时，凝结为液体释放热量；液体通过腔体内的毛细结构（吸液芯）再回流到发热区域，循环往复，将发热部位产生的热量带走散发掉。

热管散热的优点在于使用寿命长和布置灵活。液冷散热管永久封装后不会产生机械或化学降解，因而典型的使用寿命约为 20 年；液冷散热可以打扁、折弯， 可以放在任何需要散热的位置；同时，液冷散热管也会吸收远处的热量进而散热。PC 端的液冷散热中的冷却液常用材料是水，手机端的要求更高，常用优质材料作为冷却液。

D主流 VC 均热板

VC（Vapor Chamber）均热板散热，全称是真空腔均热板散热技术，散热的基本原理与热管散热类似，同样是利用水的相变进行循环散热，差别在于热管只有单一方的“线性”有效导热能力，而 VC 均热板相当于从“线”到“面”的升级，可以将热量向四面八方传递，有效增强散热效率。

根据 PConline 提供的资料显示，热导管散热的导热系数为 5000～8000 W/(m·k)，而均热板拥有比热管更大的腔体空间，可容纳更多的作动流体， 导热系数则可以达到 20000 W/(m·k) 以上。

同时 VC 散热面积更大，可以覆盖更多热源区域达到整体散热，且 VC 更加轻薄，符合目前手机轻薄化、空间利用最大化的发展趋势。

热导管散热与 VC 散热原理对照图

资料来源: PConline

VC 均热板横截面图

资料来源：中国制造网

华为 P40 Pro 采用 VC 均热板+3D 石墨烯散热图

资料来源：XYZONE

E 石墨烯 5G 时代散热新选择

石墨烯除了在电池上的应用外，其也凭借优异的导热、快速散热 及材质轻柔等特性，被认为是一种具有极强竞争力的散热材料。

石墨烯有高的热传导效率，单层悬空的石墨烯热传导效率高达5300W/(m·k)，远远高于传统金属散热材料如铜(约400W/(m·k)) 和铝(约240W /(m·k))。

而各品牌厂今年推出的旗舰新机在散热模组中，已大量导入石墨烯材质，如小米10 系列手机采用VC + 石墨烯+ 6 层石墨的三明治散热系统、Redmi K30 Pro 手机中采用石墨烯导热膜、三星Galaxy S20 Ultra 采用VC + 石墨+ 高导碳纤维垫片的散热方案、华为P40 pro 则采用VC+3D 石墨烯的散热模组。

综合上述来看，过去手机散热方案难以单独满足 5G 手机的散热需求，以 VC 为主，加上石墨及石墨烯为辅的散热系统渐渐成为主流散热方案，预计 2020 年 5G 手机石墨烯导热膜的渗透率为 30.13%。同时我们预计 2021、 2022 年5G 手机石墨烯导热膜的渗透率将提升至 31.91%、 33.79%。

G 石墨烯有望成为散热行业国产替代的新机遇

在石墨散热领域，美国、日本厂是产业领导者，即便国内在石墨烯散热领域，拥有专利及矿产资源的优势，但以技术的质量来看，与美日大厂仍有段差距。根据 TrendBank 提供的资料显示，目前石墨散热膜的主要原材料 聚酰亚胺（PI）膜 是被美国杜邦、韩国 SKC Kolon、日本 Kaneka、宇部兴产、台湾达迈等厂商垄断。至于石墨散热膜则是由日本松下、Kaneka、美国 Graftech 等主导。国内则有碳元科技、北京中石、思泉等企业投入生产。

在石墨烯散热领域，中国拥有专利、资源及产业化的优势，根据《中国化工信息》 2020 年 8 期，富烯科技、 墨睿科技分别为华为、小米提供石墨烯导热膜。华为手机使用的石墨烯散热膜的供应商为富烯科技，对应的上游石墨烯供应商为常州第六元素。富烯科技的石墨烯散热膜产品厚度为 30-100um，制备方法采用氧化石墨烯为前体，将氧化石墨烯浆料涂覆在钢带上，烘干后收集还原的氧化石墨烯，粉碎压制成膜，高温热处理形成石墨烯膜。

小米 10 系列手机使用的石墨烯散热膜的供应商为东莞鹏威，对应的上游石墨烯供应商为小米产业基金投资的广东墨睿科技。东莞鹏威的石墨烯导热膜是与墨睿科技合作生产的，目前墨睿的产能是 6 万平方米/月，到 2020 年年底可达 10 万平方米/月。合作生产的石墨烯导热膜可以做到 55um 厚度，实现量产的铜基石墨烯散热膜价格比现有的人工石墨散热膜低 30%， 可以代替目前市场上普遍使用的双层 17U及双层 25U 叠加的人工石墨散热膜。

在热管/均热板领域，根据材料世界网，目前台系、日系厂商处于领先地位，陆系厂商纷纷布局，正在积极追赶 。

散热重要性推升产业前景，在 5G 手机耗能大幅上升的背景下，散热产业在未来拥有广大的市场成长空间。在5G 手机散热领域中，单一的散热材料难以满足5G 手机的散热需求，新型散热材料、立体散热设计可望得到大规模应用，VC + 石墨/ 石墨烯的散热组合未来将成为5G 手机的新趋势。