5G时代热管理需求分析以及VC均热板与热管应用对比

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。    

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。

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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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。进入5G时代，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。

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。

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。

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。

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。

根据Yole Development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。

比热管还高级？VC均热板真的好用吗？

01 新兴的VC均温板

热管虽然非常适合笔记本和手机这类超轻薄的移动设备，但在“瘦身风潮”肆虐的当下，无论是游戏本还是游戏手机也都以更性感的身材为荣，有限的内部空间用于很难安置更多、更长和更粗的热管。

因此，业内迫切需要一种比热管导热效率更高的散热部件。于是，名为VC（Vapor Chamber）的“均热板”（又称“均温板”）便出现了。

02 VC均热板的散热原理

作为笔记本和智能手机的新型散热方式，VC均热板同样属于相变导热的代表，也是由纯铜打造的内部密封且中空（内壁不光滑，布满毛细结构），并填充冷凝液的散热单元，只是它的形态并非热管的扁平“条状”，而是呈现出更宽的扁平“片状”。

VC均热板的工作原理和热管有相似也有不同，但大体上都包含传导→蒸发→对流→凝固四个步骤。

首先，发热源（芯片）运行时产生的热量传导至VC均热板的蒸发端，内部的冷凝液会迅速吸收这些热量并转化为蒸气，从而带走大量的热能。由于水蒸气的潜热性，VC均热板的热蒸汽会由高压区扩散到低压区（冷凝端），当蒸汽接触温度较低的内壁时会迅速凝结为液体并释放热能。最后，这些液体会利用毛细作用流回蒸发端，最终形成一个水气并存的双相循环系统。

热管的散热原理

热管和VC均热板的差异主要表现在内部的传导方式方式上。热管受制于“条状”形态，热量（热蒸汽）只能在左右两个方向上进行线性传导。此外，在热管和发热源（芯片）之间往往还需嵌入一层散热基板，后者的材质、面积和填充物也会影响一定的导热效率。

VC均热板的工作原理

反观VC均热板，得益于其“片状”的形态，热量可以向多个水平方向传导，冷凝的效率更高，而且它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。由于VC均热板和能与发热源直接接触无需基板，还可进一步降低热阻。总之，更大面积的VC均热板可以更好地减少热点，实现芯片下的等温性，较之热管可以做得更薄，在水平方向上的散热性能堪称完美。因此，这种导热单元更加符合目前笔记本和智能手机轻薄化、空间利用最大化的发展趋势。

03 VC与热管的混合应用

相对于热管而言，VC均热板的成本更高，所以它很难在笔记本领域迅速普及，但在高端智能手机身上却已经有了燎原的趋势。为了进一步提升散热效率，无论是手机还是PC领域还出现了热管和VC均热板混搭的案例。

在PC领域，热管和VC混搭常见于CPU散热器，很多散热器与CPU接触的部分就是VC均热板，而且它们还实现了均热板与热管的无缝结合，冷凝液和热蒸汽可以在这两种导热单元之间循环，从最大限度挖掘出了蒸汽→液体→蒸汽的高效导热特性。