5G时代TIM热管理新材料方案的交流探讨

 

导语：5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起了这些部位发热量的急剧增加。BN氮化硼散热膜是当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域最为有效的散热材料，具有不可替代性。

    本产品是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片，成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜，具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题，拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术，是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。    

什么是5G?

一

定义

“5G”一词通常用于指代第5代移动网络。5G是继之前的标准（1G、2G、3G、4G 网络）之后的最新全球无线标准，并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外，5G有助于建立一个新的、更强大的网络，该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点，还可以连接一系列新设备，包括各种家用物品和机器。

公认的5G优势是：

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度（多Gbps）

•超低延迟

与前几代网络不同，5G网络利用在26GHz 至40GHz范围内运行的高频波长（通常称为毫米波）。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体，在这些高频下会遇到传输损耗，因此需要更高功率和更高效的电源。

5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心，满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验，超越现有移动宽带应用所支持的水平。

二

毫米波是关键技术

毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一，目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求，针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战，开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究，已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势：毫米波由于其频率高、波长短，具有如下特点：

频谱宽，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务；可靠性高，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，提供稳定的传输信道；方向性好，毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信；波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点：毫米波也有一个主要缺点，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸收，对材料非常敏感。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

什么是TIM热管理?

 

定义

热管理？顾名思义，就是对“热“进行管理，英文是：Thermal Management。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域，控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础，而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。

导热率，又称导热系数，反映物质的热传导能力，按傅立叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。热导率大，表示物体是优良的热导体；而热导率小的是热的不良导体或为热绝缘体。

5G手机以及硬件终端产品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，电子设备和许多其他高功率系统的性能和可靠性受到散热问题的严重威胁。要解决这个问题，散热材料必须在导热性、厚度、灵活性和坚固性方面获得更好的性能，以匹配散热系统的复杂性和高度集成性。

 

一

5G时代高功率、高集成、高热量趋势明显，热管理成为智能手机“硬需求”

     一代通信技术，一代手机形态，一代热管理方案。通信技术的演进，会持续引发移动互联网应用场景的变革，并推动手机芯片和元器件性能快速提升。但与此同时，电子器件发热量迅速增加，对手机可靠性和移动互联网发展带来了严峻挑战。从4G时代进入5G时代，智能手机芯片性能、数据传输速率、射频模组等都有着巨大提升，无线充电、NFC等功能逐渐成为标配，手机散热压力持续增长。5G手机散热的主流方案，高导热材料、并加速向超薄化、结构简单化和低成本方向发展，技术迭代正在加速进行。未来随着5G终端产品进一步放量，TIM市场增长潜力巨大。

 

2020年，5G技术迈向全面普及，消费电子产品向高功率、高集成、轻薄化和智能化方向加速发展。由于集成度、功率密度和组装密度等指标持续上升，5G时代电子器件在性能不断提升的同时，工作功耗和发热量急遽升高。据统计，电子器件因热集中引起的材料失效占总失效率的65-80%。为避免过热带来的器件失效，导热硅脂、导热凝胶、石墨导热片、热管和均热板（VC）等技术相继出现、持续演进，散热管理已经成为5G时代电子器件的“硬需求”。

（一）智能手机功耗持续提升，散热需求水涨船高4G时代，智能手机数据传输速度和处理能力相比2G、3G时代有显著提升，AR、高清视频、直播等应用场景加速落地，人们对手机性能的要求越来越高，推动手机硬件配置快速迭代。但与此同时，智能手机发热的问题也越来越严重，手机发烫、卡顿和死机时有发生，严重时甚至会导致主板烧坏乃至爆炸。

 

根据EUCNC数据，LTE智能手机功耗主要来源于功率放大器、应用处理器、屏幕和背光、信号收发器和基带处理器。随着消费电子产品向高集成、轻薄化和智能化方向发展，芯片和元器件体积不断缩小，功率密度却在快速增加，智能手机的散热需求成为亟需解决的问题：

（1）芯片性能更高，四核、八核成为主流；

（2）柔性显示、全面屏逐渐普及，2K/4K屏占领高端市场；

（3）内置更多无线功能，例如NFC、GPS、蓝牙和无线充电；

（4）机身越来越薄，封装密度越来越高。 表1 手机主要热量来源

 随着5G技术逐渐走向成熟，智能手机对散热管理的需求再次大幅提升，主要表现为以下几方面：（1）5G手机射频前端支持的频段数量大幅增加，需采用Massive MIMO技术以增强信号接收能力，天线数量和射频器件数量远超4G手机；（2）5G手机芯片处理能力有望达到4G手机的5倍以上，手机发热密度绝对值将是4G手机的2倍以上；（3）5G信号穿透能力变弱，手机机身材质逐渐向陶瓷和聚合物转变，加之5G手机越来越紧凑，导致散热能力越来越弱。 （二）5G来袭发热量剧增，散热需求进一步凸显通信制式及手机支持频率

 

表2 射频前端价值对比测量

此外，5G手机普遍采用基带外挂的方案，相关电路和电源芯片也要增加，手机内部功耗相应增加；由于5G覆盖范围不足，导致手机频繁启动5G信号搜索功能，发热量也会变大。试验证明，温度每升高2℃，电子元器件可靠性将下降10%，其在50℃环境下的寿命只有25℃的 1/6。由此可见，散热器件是5G手机中不能省掉、必不可少的环节。    （三）散热解决方案多样，导热材料器件频频现身一般而言，电子器件散热有主动散热（降低手机自发热量）和被动散热（加快热量向外散出）两种路线。其中，主动散热主要利用与发热体无关的动力元件强制散热，一般应用于高功率密度且体积相对较大的电子设备，如台式机和笔记本中配备的风扇、数据中心服务器的液冷散热；被动散热则主要通过导热材料和导热器件将元器件产生的热量释放到环境中，是一种没有动力元件参与的散热方式，广泛应用于手机、平板、智能手表、户外基站等。表3 热量传递方式及相关散热解决方案

 电子器件散热过程示意图 目前，电子器件使用的散热技术主要包括石墨散热、金属背板、边框散热、导热凝胶散热等导热材料，以及热管、VC等导热器件。其中，导热凝胶、导热硅脂、石墨片和金属片主要在中小型电子产品使用，热管和VC则主要用在笔记本、电脑、服务器等中大型电子设备中使用。 

主要导热材料

导热系数和厚度是评估散热材料的核心指标。传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等热界面材料（TIM）为主，但是石墨片存在导热系数相对较低，TIM材料则存在厚度相对较大等问题。在手机厂商的推动下，石墨烯材料持续取得突破，开始切入到消费电子散热应用；热管和VC厚度不断降低，开始从电脑、服务器等领域渗透到智能手机领域。 

不同散热材料/器件的导热效率 2019年12月，OPPO在新发布的Reno3 Pro 5G手机中，采用了“VC液冷散热+多层石墨片覆盖”的立体液冷散热系统。其中，定制版柔性屏上覆盖了一层铜箔和双层石墨片，将屏幕的热能均匀传导出去。导热凝胶将处理器附近的热能传导至VC，并通过VC内的液体进行热传导和降温。中框及电池盖均覆盖了3层石墨片，进一步加强散热。

 

OPPOReno 3 Pro散热模组示意图

二

热管/均热板解决方案优势显著，超薄均热板技术迭代进一步加速   

热管和均热板利用热传导与致冷介质的快速热传递性质，导热系数较金属和石墨材料有10倍以上提升，作为新兴的散热技术方案，近年来在智能手机领域开始获得广泛应用。其中，热管的导热系数范围为10000~100000 W/mK，是纯铜膜的20倍，是多层石墨膜10倍；均热板作为热管技术的升级，进一步实现了导热系数的提升。

TGP（Thermal Ground Plane），扁式热管 （一）热管/均热板散热能力强，5G手机终端快速普及热管一般由管壳、吸液芯和端盖构成，将管内抽成1.3×(10-1~10-2)Pa的压强后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。吸液芯采用毛细微孔材料，利用毛细吸力（由液体表面张力产生）回流液体，管内液体在吸热段吸热蒸发，冷却段冷凝回流，循环带走热量。

热管结构与导热机制示意图从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），对流传导效率最高，因此热管技术一经诞生就迅速普及开来。1963年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室发明热管技术。此后，热管技术迅速应用于宇航、军工等行业。随着消费电子产业的发展，热管技术逐渐应用于桌面电脑、笔记本、LED、平板电脑和手机中。

热管的应用领域 

热管在不同领域的应用 均热板工作原理与热管类似，同样包括传导、蒸发、对流、冷凝四个主要步骤。两者差别主要在于热传导方式不同。热管的热传导方式是一维的，是线的热传导方式，而均热板的热传导方式是二维的，是面的热传导方式。相对于热管，首先均热板与热源以及散热介质的接触面积更大，能够使表面温度更加均匀；其次使用均热板可以使热源和设备直接接触降低热阻，而热管则在热源和热管间需要嵌入基板；最后均热板更加轻薄，更能够适应手机集成化、轻量化的趋势。相关研究表明，VC散热器的性能比热管提高20%~30%。

VC均热板与热管的散热机制 

不同种类的VC均热板随着5G手机功耗持续升高，对整机散热能力的要求不断提升，均热板/超薄均热板的应用开始激增。4G时代高端手机普遍采用热管技术来实现快速散热，如LG V40等型号手机。进入5G时代，LG等手机厂商开始广泛应用均热板技术，进一步提升智能手机的散热效率。而小米在最新的旗舰手机Xiaomi 10中，更是应用了迄今为止市面上最大的手机用VC均热板。

LGV40、LG 5G、小米10 Pro采用的散热器件虽然热管和均热板的导热系数更高，但是原理是加快热量从手机发热部件转移到环境中的速度，最终散热效果还是要看散热材料与空气之间的热对流。因此，散热材料的热特性对手机散热效果有着不可忽视的影响。目前，“散热片（石墨烯膜/石墨片）+热管/均热板”的整体解决方案逐渐被市场所认可。（二）均热板产品快速迭代，技术方案持续演进均热板与热管的区别，还在于器件结构的差异。传统的两层均热板制作流程为在铜基的基础上烧结支柱和灯芯结构，然后进行铜焊、灌水并密封，最后钎焊周边，形成稳固的均热板。随着工艺技术的发展，和不同应用场景对器件大小、性能的要求，均热板制作工艺和结构不断优化升级，相关产品快速迭代。

VC均热板结构示意图）近年来，VC均热板技术演进方向主要集中于以下几个方面：一是均热板选材多样化，受益于中框-VC一体化散热解决方案，不锈钢VC崭露头角；二是封装工艺正在变革，激光封装有望替代镀铜钎焊封装制程；三是超薄VC铜网烧结毛细制程有望被打破，毛细制程多样化，印刷毛细与半导体光罩蚀刻毛细崭露头角；四是厚度进一步下探，VC均热板有望薄至0.3mm以下。 

红米K30Pro首次采用不锈钢均热板此外，自动化正在成为VC均热板制程发展的必然趋势，注水除气、插鼠尾、置铜网等关键工序将实现高度自动化。未来几年，VC均热板生产将逐步集中于手机精密机构件供应链头部厂家，促进自动化的普及。相比之下，自动化程度高的均热板生产企业将获得竞争优势，市场竞争将进一步加剧。

一种超薄均热板

三

氮化硼膜材特点：高导热、低介电、绝缘、透波、抗电压、柔性   

      六方氮化硼（h-BN）这种二维结构材料，名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一样，仅有一个原子厚度。但是两者很大的区别是六方氮化硼是一种天然绝缘体而石墨烯是一种完美的导体。与石墨烯不同的是，h-BN的导热性能很好，可以量化为声子形式（从技术层面上讲，一个声子即是一组原子中的一个准粒子）。

有材料专家说道：“使用氮化硼去控制热流看上去很值得深入研究。我们希望所有的电子器件都可以尽可能快速有效地散射。而其中的缺点之一，尤其是在对于组装在基底上的层状材料来说，热量在其中某个方向上沿着传导平面散失很快，而层之间散热效果不好，多层堆积的石墨烯即是如此。”与石墨中的六角碳网相似，六方氮化硼中氮和硼也组成六角网状层面，互相重叠，构成晶体。晶体与石墨相似，具有反磁性及很高的异向性，晶体参数两者也颇为相近。

基于二维氮化硼纳米片的复合薄膜，此散热膜具有透电磁波、高导热、高柔性、高绝缘、低介电系数、低介电损耗等优异特性，是5G射频芯片、毫米波天线领域最为有效的散热材料之一。

 

四

总结 

根据市场预测，2019-2025年间5G手机销量将以72%的复合增长率扩张；到2025年，5G手机市场份额将占总市场份额的30%左右；届时，支持毫米波频段的5G手机将占全部5G手机的13%。尽管受疫情影响，2020年第一季度全球智能手机出货量2.758亿台，同比下降11.7%。但高通对全年5G手机出货量较为乐观，维持2020年5G手机出货预测在1.75亿至2.25亿部不变。

 随着5G通信技术不断走向成熟，5G手机终端开始放量，VC均热板将迎来爆发性增长。假设VC均热板在5G手机中的渗透率达到30%，单片VC均热板价值15元人民币，则2025年全球手机VC均热板市场将达到90亿元人民币以上。受此驱动，VC均热板技术迭代加速，新材料、新结构、新工艺将不断涌现，自动化程度继续提升，国际竞争日趋激烈。建议重点关注在厚度（＜0.4mm）、封装工艺和毛细支撑等方面具有自主知识产权的企业。