高性能TIM材料の石墨烯散热膜及应用

 

12月13日，苏州锦富技术股份有限公司发布公告，拟向特定对象发行股票募集资金总额不超过7.38亿元，用于高性能石墨烯散热膜生产基地建设项目及补充流动资金。

公告称，高性能石墨烯散热膜项目建设期24个月，总投资5.87亿元。项目主要包括石墨烯散热膜等生产线的建设，拟通过购置生产厂房的方式实施。该项目建成达产后，公司将每年新增石墨烯散热膜产能400万平方米。经测算，项目投资内部收益率（税后）为17.75%，税后回收期（含建设期）为6.48年。

石墨烯具有卓越的力学特性、热性能、光学特性，下游应用广泛，可应用于消费电子、柔性显示、散热材料等领域，被业界称为“材料之王”。近年来，国家陆续出台多项政策，鼓励石墨烯行业的发展。

公告显示，石墨烯材料是 21 世纪最具革命性的先进材料之 一，公司高性能石墨烯散热膜生产基地建设项目符合国家战略导向。此外，该项目的建设是公司为实现国有资产保值增值，提升公司效益，增强竞争实力的目标，落实公司向上游先进材料延伸布局战略的关键举措，有利于提升公司对消费电子散热膜产品的供应能力，满足下游客户产品市场需求， 持续增强公司盈利能力和市场地位，推动公司产品、技术、资金实力等综合实 力的提升，符合公司发展战略。

公告显示，近年来，消费电子逐步向轻薄化、高性能和多功能方向发展。电子产品的性能越来越强大，而集成度和组装密度不断提高，导致其工作功耗和发热量的增大。据研究，电子元器件因热量集中引起的材料失效占总失效率的 65%- 80%，热管理技术是电子产品考虑的关键因素。此外，5G 时代电子设备上集成的功能逐渐增加并且复杂化，以及设备本身的体积逐渐缩小，对电子设备的热管理技术提出了更高的要求。解决消费电子的散热问题成为 5G 时代电子设备的难点和重点之一。

2018 年 10 月华为在 Mate20 系 列手机中首次采用石墨烯膜作为其主要散热方案，其后石墨烯膜在华为的“Mate 系 列”、“P 系列”及“MatePad 系列”、小米的“xiaomi10”等消费电子产品中得到了越来越多的应用。据华金证券研究所测算，全球手机散热市场有望从 2019 年的 150 亿元增长到 2022 年的 230 亿元，2022 年手机散热行业中 4G 手机能够达到 60 亿元的市场规模，其中 5G 手机散热市场 2022 年达 164 亿元，应用市场广阔。

公告表示，公司“高性能石墨烯散热膜”研发项目已经完成中试，具备规模生产的条件，所产产品具有机械性能好、导热系数高，质量 轻、柔韧性好等特点，可广泛应用于智能手机、平板电脑、无风扇设计笔记本 电脑、LED 照明设备、医疗设备、新能源汽车动力电池等领域。

  

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

耐温石墨烯材介の紹介

石墨烯是具有单原子层厚度的二维材料，因为其独特的电学、光学、力学、热学性能而备受关注。相对于电学性质的研究，石墨烯的热学性质研究起步较晚。2008年，Balandin课题组用拉曼光谱法第一次测量了单层石墨烯的热导率，观察发现石墨烯热导率最高可达5300 W∙m−1∙K−1，高于石墨块体和金刚石，是已知材料中热导率的最高值，吸引了研究者的广泛关注。对石墨烯热导率的研究很快对石墨烯在导热领域的应用有所启发。随着石墨烯大规模制备技术的发展，基于氧化石墨烯方法制备的高导热石墨烯膜热导率可达1500~2000 W∙m−1∙K−1 。高导热石墨烯膜的热导率与工业应用的高质量石墨化聚酰亚胺膜相当，且具有更低成本和更好的厚度可控性。另一方面，石墨烯作为二维导热填料，易于在高分子基体中构建三维导热网络，在热界面材料中具有良好应用前景。通过提高石墨烯在高分子基体中的分散性、构建三维石墨烯导热网络等方法，石墨烯填充的热界面复合材料热导率比聚合物产生数倍提高，并且填料比低于传统导热填料。石墨烯无论作为自支撑导热膜，还是作为热界面材料的导热填料，将在下一代电子元件散热应用中发挥重要价值。

 石墨烯具有本征的高热导率，从理论计算和实验测量中均得到了验证。上述实验测量中，研究者往往采用机械剥离法和CVD法制备石墨烯，这两种方法制备的样品具有质量高、可控性强的特点，适用于研究石墨烯的本征性质。但是，由于机械剥离法和CVD法制备石墨烯具有产量低、制备周期长、难以规模化等特点，不适用于石墨烯的宏量制备。相对应地，通过还原氧化石墨烯、电化学剥离等湿化学方法可以大批量制备石墨烯片，石墨烯片通过片层间的化学键作用可形成石墨烯膜、石墨烯纤维、石墨烯宏观体等三维结构，从而可实际应用于导热场景。 高导热石墨烯膜的应用石墨烯薄膜可用作电子元件中的散热器，散热器通常贴合在易发热的电子元件表面，将热源产生的热量均匀分散。散热器通常由高热导率的材料制成，常见散热器有铜片、铝片、石墨片等。其中热导率最高、散热效果最好的是由聚酰亚胺薄膜经石墨化工艺得到的人工石墨导热膜，平面方向热导率可达 700~1950 W∙m−1∙K−1，厚度为10~100 μm，具有良好的导热效果，在过去很长一段时间内都是导热膜的最理想选择。在此背景之下，研究高导热石墨烯膜有两个重要意义，其一，是由于人工石墨膜成本较高，且高质量聚酰亚胺薄膜制备困难，业界希望高导热石墨烯膜能够作为替代方案。其二，是由于电子产品散热需求不断增加，新的散热方案不仅要求导热膜具有较高的热导率，也要求导热膜具有一定厚度，以提高平面方向的导热通量。在人工石墨膜中，由于聚酰亚胺分子取向度的原因，石墨化聚酰亚胺导热膜只有在厚度较小时才具有较高的热导率。而石墨烯导热膜则易于做成厚度较大的导热膜(~100 μm)，在新型电子器件热管理系统中具有良好的应用前景。因此，石墨烯导热膜的研究也主要沿着两个方向，其一，是提高石墨烯导热膜的面内方向热导率，以接近或超过人工石墨膜的水平。其二，是提高石墨烯导热膜的厚度，扩大导热通量，同时保持良好的热传导性能。石墨烯作为高导热材料，可作为导热填料应用于热界面材料(Thermal interface material，TIM)中。热界面材料是应用于芯片封装中的一种材料，主要作用是填充芯片中的空气间隙，起到给芯片提供力学支撑、电磁屏蔽、辅助散热的作用。传统的热界面材料使用的是填充有陶瓷、金属、碳材料等作为导热填料的树脂基复合材料，利 用高分子材料的力学性能提供保护，通过添加导热填料提高散热能力。由于树脂的热导率非常低(小于0.5 W∙m−1∙K−1)，并且商用的导热填料热导率也较低(氧化铝热导率~35 W∙m−1∙K−1)，整体热界面材料的热导率多为1–10 W∙m−1∙K−1之间。研究者尝试将高导热的石墨烯作为导热填料，提高热界面材料的导热能力。以下重点介绍石墨烯增强树脂基复合材料的热导率的主要影响因素。石墨烯膜材

    　石墨烯均热膜可广泛运用于应用于手机、智能穿戴、通讯、医疗设备、计算机等高功率、高集成度系统的散热领域。

      充满变革性技术创新的时代，带来了无数日常活动的变化。在这样的背景下，随着全新商业模式的涌现，提供商品与服务的旧方式被急剧改变或彻底抛弃，毫米波5G手机产品的设计也面临全新的挑战。