一代通信技術，一代手機形態(tài)，一代熱管理方案。通信技術的演進，會持續(xù)引發(fā)移動互聯(lián)網(wǎng)應用場景的變革，并推動手機芯片和元器件性能快速提升。但與此同時，電子器件發(fā)熱量迅速增加，對手機可靠性和移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。從4G時代進入5G時代，智能手機芯片性能、數(shù)據(jù)傳輸速率、射頻模組等都有著巨大提升，無線充電、NFC等功能逐漸成為標配，手機散熱壓力持續(xù)增長。由于在散熱效率方面極具優(yōu)勢，均熱板（VC）逐漸成為5G手機散熱的主流方案，并加速向超薄化、結構簡單化和低成本方向發(fā)展，技術迭代正在加速進行。未來隨著5G終端產(chǎn)品進一步放量，VC均熱板市場增長潛力巨大。

1、5G時代高功率、高集成、高熱量趨勢明顯，熱管理成為智能手機“硬需求”

2020年，5G技術邁向全面普及，消費電子產(chǎn)品向高功率、高集成、輕薄化和智能化方向加速發(fā)展。由于集成度、功率密度和組裝密度等指標持續(xù)上升，5G時代電子器件在性能不斷提升的同時，工作功耗和發(fā)熱量急遽升高。據(jù)統(tǒng)計，電子器件因熱集中引起的材料失效占總失效率的65-80%。為避免過熱帶來的器件失效，導熱硅脂、導熱凝膠、石墨導熱片、熱管和均熱板（VC）等技術相繼出現(xiàn)、持續(xù)演進，散熱管理已經(jīng)成為5G時代電子器件的“硬需求”。

數(shù)據(jù)來源：埃米空間

（一）智能手機功耗持續(xù)提升，散熱需求水漲船高

4G時代，智能手機數(shù)據(jù)傳輸速度和處理能力相比2G、3G時代有顯著提升，AR、高清視頻、直播等應用場景加速落地，人們對手機性能的要求越來越高，推動手機硬件配置快速迭代。但與此同時，智能手機發(fā)熱的問題也越來越嚴重，手機發(fā)燙、卡頓和死機時有發(fā)生，嚴重時甚至會導致主板燒壞乃至爆炸。

數(shù)據(jù)來源：Yole Development，EUCNC

根據(jù)EUCNC數(shù)據(jù)，LTE智能手機功耗主要來源于功率放大器、應用處理器、屏幕和背光、信號收發(fā)器和基帶處理器。隨著消費電子產(chǎn)品向高集成、輕薄化和智能化方向發(fā)展，芯片和元器件體積不斷縮小，功率密度卻在快速增加，智能手機的散熱需求成為亟需解決的問題：

• （1）芯片性能更高，四核、八核成為主流；

• （2）柔性顯示、全面屏逐漸普及，2K/4K屏占領高端市場；

• （3）內(nèi)置更多無線功能，例如NFC、GPS、藍牙和無線充電；

• （4）機身越來越薄，封裝密度越來越高。

表1 手機主要熱量來源

隨著5G技術逐漸走向成熟，智能手機對散熱管理的需求再次大幅提升，主要表現(xiàn)為以下幾方面：

• （1）5G手機射頻前端支持的頻段數(shù)量大幅增加，需采用Massive MIMO技術以增強信號接收能力，天線數(shù)量和射頻器件數(shù)量遠超4G手機；

• （2）5G手機芯片處理能力有望達到4G手機的5倍以上，手機發(fā)熱密度絕對值將是4G手機的2倍以上；

• （3）5G信號穿透能力變?nèi)?，手機機身材質(zhì)逐漸向陶瓷和聚合物轉(zhuǎn)變，加之5G手機越來越緊湊，導致散熱能力越來越弱。

（二）5G來襲發(fā)熱量劇增，散熱需求進一步凸顯

通信制式及手機支持頻率

數(shù)據(jù)來源：Yole Development

表2 射頻前端價值對比測量

數(shù)據(jù)來源：中信證券研究部測算

此外，5G手機普遍采用基帶外掛的方案，相關電路和電源芯片也要增加，手機內(nèi)部功耗相應增加；由于5G覆蓋范圍不足，導致手機頻繁啟動5G信號搜索功能，發(fā)熱量也會變大。試驗證明，溫度每升高2℃，電子元器件可靠性將下降10%，其在50℃環(huán)境下的壽命只有25℃的 1/6。由此可見，散熱器件是5G手機中不能省掉、必不可少的環(huán)節(jié)。    

（三）散熱解決方案多樣，導熱材料器件頻頻現(xiàn)身

一般而言，電子器件散熱有主動散熱（降低手機自發(fā)熱量）和被動散熱（加快熱量向外散出）兩種路線。其中，主動散熱主要利用與發(fā)熱體無關的動力元件強制散熱，一般應用于高功率密度且體積相對較大的電子設備，如臺式機和筆記本中配備的風扇、數(shù)據(jù)中心服務器的液冷散熱；被動散熱則主要通過導熱材料和導熱器件將元器件產(chǎn)生的熱量釋放到環(huán)境中，是一種沒有動力元件參與的散熱方式，廣泛應用于手機、平板、智能手表、戶外基站等。

表3 熱量傳遞方式及相關散熱解決方案

數(shù)據(jù)來源：埃米空間

電子器件散熱過程示意圖

數(shù)據(jù)來源：埃米空間

目前，電子器件使用的散熱技術主要包括石墨散熱、金屬背板、邊框散熱、導熱凝膠散熱等導熱材料，以及熱管、VC等導熱器件。其中，導熱凝膠、導熱硅脂、石墨片和金屬片主要在中小型電子產(chǎn)品使用，熱管和VC則主要用在筆記本、電腦、服務器等中大型電子設備中使用。

主要導熱材料（數(shù)據(jù)來源：中石科技招股說明書）

導熱系數(shù)和厚度是評估散熱材料的核心指標。傳統(tǒng)手機散熱材料以石墨片和導熱凝膠等熱界面材料（TIM）為主，但是石墨片存在導熱系數(shù)相對較低，TIM材料則存在厚度相對較大等問題。在手機廠商的推動下，石墨烯材料持續(xù)取得突破，開始切入到消費電子散熱應用；熱管和VC厚度不斷降低，開始從電腦、服務器等領域滲透到智能手機領域。

不同散熱材料/器件的導熱效率

（數(shù)據(jù)來源：安信證券）

2、熱管/均熱板解決方案優(yōu)勢顯著，超薄均熱板技術迭代進一步加速

熱管和均熱板利用熱傳導與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，導熱系數(shù)較金屬和石墨材料有10倍以上提升，作為新興的散熱技術方案，近年來在智能手機領域開始獲得廣泛應用。其中，熱管的導熱系數(shù)范圍為10000~100000 W/mK，是純銅膜的20倍，是多層石墨膜10倍；均熱板作為熱管技術的升級，進一步實現(xiàn)了導熱系數(shù)的提升。

TGP（Thermal Ground Plane）

扁式熱管數(shù)據(jù)來源：日本FUJIKURA

（一）熱管/均熱板散熱能力強，5G手機終端快速普及

熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋構成，將管內(nèi)抽成1.3×(10-1~10-2)Pa的壓強后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應用需要在兩段中間可布置絕熱段。吸液芯采用毛細微孔材料，利用毛細吸力（由液體表面張力產(chǎn)生）回流液體，管內(nèi)液體在吸熱段吸熱蒸發(fā)，冷卻段冷凝回流，循環(huán)帶走熱量。

熱管結構與導熱機制示意圖

（數(shù)據(jù)來源：TECHBRIEFS官網(wǎng)）

從熱傳遞的三種方式來看（輻射、對流、傳導），對流傳導效率最高，因此熱管技術一經(jīng)誕生就迅速普及開來。1963年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室發(fā)明熱管技術。此后，熱管技術迅速應用于宇航、軍工等行業(yè)。隨著消費電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，熱管技術逐漸應用于桌面電腦、筆記本、LED、平板電腦和手機中。

熱管的應用領域

（數(shù)據(jù)來源：《Frontiers in Heat and Mass Transfer》）

熱管在不同領域的應用

（數(shù)據(jù)來源：《Frontiers in Heat and Mass Transfer》）

均熱板工作原理與熱管類似，同樣包括傳導、蒸發(fā)、對流、冷凝四個主要步驟。兩者差別主要在于熱傳導方式不同。熱管的熱傳導方式是一維的，是線的熱傳導方式，而均熱板的熱傳導方式是二維的，是面的熱傳導方式。相對于熱管，首先均熱板與熱源以及散熱介質(zhì)的接觸面積更大，能夠使表面溫度更加均勻；其次使用均熱板可以使熱源和設備直接接觸降低熱阻，而熱管則在熱源和熱管間需要嵌入基板；最后均熱板更加輕薄，更能夠適應手機集成化、輕量化的趨勢。相關研究表明，VC散熱器的性能比熱管提高20%~30%。

VC均熱板與熱管的散熱機制

（數(shù)據(jù)來源：安信證券）

不同種類的VC均熱板

（數(shù)據(jù)來源：TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY）

隨著5G手機功耗持續(xù)升高，對整機散熱能力的要求不斷提升，均熱板/超薄均熱板的應用開始激增。4G時代高端手機普遍采用熱管技術來實現(xiàn)快速散熱。進入5G時代，手機廠商開始廣泛應用均熱板技術，進一步提升智能手機的散熱效率。

雖然熱管和均熱板的導熱系數(shù)更高，但是原理是加快熱量從手機發(fā)熱部件轉(zhuǎn)移到環(huán)境中的速度，最終散熱效果還是要看散熱材料與空氣之間的熱對流。因此，散熱材料的熱特性對手機散熱效果有著不可忽視的影響。目前，“散熱片（石墨烯膜/石墨片）+熱管/均熱板”的整體解決方案逐漸被市場所認可。

（二）均熱板產(chǎn)品快速迭代，技術方案持續(xù)演進

均熱板與熱管的區(qū)別，還在于器件結構的差異。傳統(tǒng)的兩層均熱板制作流程為在銅基的基礎上燒結支柱和燈芯結構，然后進行銅焊、灌水并密封，最后釬焊周邊，形成穩(wěn)固的均熱板。隨著工藝技術的發(fā)展，和不同應用場景對器件大小、性能的要求，均熱板制作工藝和結構不斷優(yōu)化升級，相關產(chǎn)品快速迭代。

VC均熱板結構示意圖

（數(shù)據(jù)來源：互聯(lián)網(wǎng)）

近年來，VC均熱板技術演進方向主要集中于以下幾個方面：一是均熱板選材多樣化，受益于中框-VC一體化散熱解決方案，不銹鋼VC嶄露頭角；二是封裝工藝正在變革，激光封裝有望替代鍍銅釬焊封裝制程；三是超薄VC銅網(wǎng)燒結毛細制程有望被打破，毛細制程多樣化，印刷毛細與半導體光罩蝕刻毛細嶄露頭角；四是厚度進一步下探，VC均熱板有望薄至0.3mm以下。

此外，自動化正在成為VC均熱板制程發(fā)展的必然趨勢，注水除氣、插鼠尾、置銅網(wǎng)等關鍵工序?qū)崿F(xiàn)高度自動化。未來幾年，VC均熱板生產(chǎn)將逐步集中于手機精密機構件供應鏈頭部廠家，促進自動化的普及。相比之下，自動化程度高的均熱板生產(chǎn)企業(yè)將獲得競爭優(yōu)勢，市場競爭將進一步加劇。

一種超薄均熱板

（數(shù)據(jù)來源：Trivision Etching Technoogy）

3、總 結

根據(jù)Yole Development預測，2019-2025年間5G手機銷量將以72%的復合增長率擴張；到2025年，5G手機市場份額將占總市場份額的30%左右；屆時，支持毫米波頻段的5G手機將占全部5G手機的13%。盡管受疫情影響，2020年第一季度全球智能手機出貨量2.758億臺，同比下降11.7%。但高通對全年5G手機出貨量較為樂觀，維持2020年5G手機出貨預測在1.75億至2.25億部不變。

數(shù)據(jù)來源：Yole Development

隨著5G通信技術不斷走向成熟，5G手機終端開始放量，VC均熱板將迎來爆發(fā)性增長。假設VC均熱板在5G手機中的滲透率達到30%，單片VC均熱板價值15元人民幣，則2025年全球手機VC均熱板市場將達到90億元人民幣以上。受此驅(qū)動，VC均熱板技術迭代加速，新材料、新結構、新工藝將不斷涌現(xiàn)，自動化程度繼續(xù)提升，國際競爭日趨激烈。

本文標題：5G時代手機散熱需求分析，VC均熱板與熱管好在哪？

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