在碳達峰?碳中和大背景下,汽車?電力電子?通信行業(yè)等作為高能耗產(chǎn)業(yè),綠色轉(zhuǎn)型的需求愈發(fā)迫切,“十四五”期間為碳達峰的關(guān)鍵時間窗口,碳控排政策力度有望超預期,熱管理行業(yè)即將迎來新的發(fā)展機遇?我國熱管理產(chǎn)業(yè)民族企業(yè)整體實力仍然不強,大部分企業(yè)徘徊在中低端領(lǐng)域,同質(zhì)化嚴重,主要依靠價格優(yōu)勢維持生存?高端材料及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展受到制約,不僅高端產(chǎn)品嚴重依賴進口,甚至部分中低端產(chǎn)品亦無法實現(xiàn)完全國產(chǎn)化

熱控及熱管理產(chǎn)業(yè)作為未來工業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與核心,必定是具有前瞻性?先導性和探索性的戰(zhàn)略必爭高地,應(yīng)緊握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革帶來的機遇,大力發(fā)展實施熱管理產(chǎn)業(yè),推動高質(zhì)量發(fā)展?

在雙循環(huán)和新的國際經(jīng)濟環(huán)境下,國內(nèi)企業(yè)對供應(yīng)鏈的訴求空前高漲,下游廠商對來自于本土的上游供應(yīng)商的重視程度顯著提高?

1 熱管理產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)觀察

科研技術(shù)牽引產(chǎn)業(yè)發(fā)展,下面從電化學儲能領(lǐng)域?通信電子行業(yè)?新能源汽車三條思路出發(fā),探討熱管理行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈組成?

1.1 電化學儲能領(lǐng)域熱管理技術(shù)發(fā)展

“雙碳”目標下,電力行業(yè)亟需推進節(jié)能減排,優(yōu)化資源供給結(jié)構(gòu)?除對可靠性及熱管理要求較高的發(fā)電及傳輸電網(wǎng)以外,儲能系統(tǒng)的引入可有效優(yōu)化電力行業(yè)供需關(guān)系?降低可再生資源發(fā)電棄風棄光率?降低用戶端的綜合用電成本等?當前儲能系統(tǒng)主要應(yīng)用在大型發(fā)電廠,未來隨著國家政策持續(xù)支持以及儲能技術(shù)發(fā)展,儲能系統(tǒng)將向配電端和用戶端滲透?然而,近年來儲能電站事故頻發(fā),2021 年以來已發(fā)生了多起重大事故,儲能電站熱管理的市場關(guān)注度提升?常見的電力行業(yè)熱管理技術(shù)包括風冷/液冷散熱,風冷結(jié)構(gòu)簡單?成本低?易維護,但最大的缺點就是散熱效果不佳?液冷與風冷相比的優(yōu)勢是散熱效果好?除傳統(tǒng)的散熱方式外,間接蒸發(fā)冷卻被廣泛運用在儲能場景中,間接蒸發(fā)冷卻兼?zhèn)涓咝Ш凸?jié)能?除此之外,相變材料也是當前比較熱門的散熱方式之一,利用材料相間變化時的吸放熱,可以高效進行熱管理?未來熱管理方式將繼續(xù)以高效和節(jié)能為目標,不斷發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)異的冷媒,使得儲能系統(tǒng)更加安全和穩(wěn)定?

隨著國家政策大力支持儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,儲能裝機規(guī)模有望快速增長,為熱管理行業(yè)帶來極大的成長機會?

儲能系統(tǒng)按照儲存介質(zhì)可分為機械類儲能?電氣類儲能?電化學類儲能?熱儲能和化學類儲能?抽水蓄能發(fā)展最為成熟,化學儲能為未來發(fā)展方向?

電化學儲能快速增長,可再生能源并網(wǎng)為未來儲能裝機驅(qū)動因素?近年來,國內(nèi)外電化學儲能均呈快速增長態(tài)勢?在新增電化學儲能的應(yīng)用中,主要以可再生能源并網(wǎng)為主?根據(jù) BNEF 數(shù)據(jù),2020 年中國新增電化學儲能中,可再生能源并網(wǎng)儲能占比為 40%左右?

對于電化學儲能來說,溫度控制的好壞直接影響整個儲能系統(tǒng)的性能,嚴重時會引發(fā)熱失控,造成事故?其可采用的冷卻方式也有多種方向?

1.1.1 單相流體冷卻方式(空冷/液冷)

空冷/液冷通過空氣/液體流經(jīng)發(fā)熱部件,通過接觸換熱的方式進行降溫?空冷結(jié)構(gòu)簡單?成本低?易維護,相較于液冷和相變材料冷卻,空冷的穩(wěn)定性好,但空氣的低熱導率限制了空冷系統(tǒng)的冷卻性能,所以空冷系統(tǒng)冷卻速度較慢,散熱效果不佳,雖然強制風冷可加強氣流運動,提高散熱效率,但使用風扇或氣泵強制對流將造成系統(tǒng)能量損失?液冷冷卻的冷卻劑為液體,相對空氣來說,液體具有更大的比熱容?溫度傳遞快?吸收熱量大等優(yōu)點?同體積液體帶走的熱量顯著大于風冷,熱傳導的效率亦顯著高于空冷,液冷冷卻技術(shù)優(yōu)勢明顯?液冷技術(shù)可以分為間接制冷和直接制冷兩種方式,對于電力設(shè)備,考慮到安全問題,一般 以間接制冷為主?

1.1.2 蒸發(fā)冷卻技術(shù)

蒸發(fā)冷卻方式是一種具有優(yōu)異冷卻效果且能隨負荷變化自平衡的冷卻方式?蒸發(fā)冷卻分為直接蒸發(fā)冷卻(Direct Evaporative Cooling,DEC)和間接蒸發(fā)冷卻(Indirect Evaporative Cooling,IEC)?直接蒸發(fā)冷卻是將水直接噴淋于未飽和濕空氣中,使空氣等焓增濕?降溫?由于空氣與水直接接觸,使其含濕量增加,因此存在一定的應(yīng)用限制?間接蒸發(fā)冷是工作介質(zhì)先經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備處理,流經(jīng)換熱器通道一側(cè),形成濕通道,產(chǎn)出介質(zhì)流過干側(cè)通道,濕側(cè)介質(zhì)吸收干燥介質(zhì)的熱量,借助于濕表面蒸發(fā),從而冷卻產(chǎn)出介質(zhì)?由于工作介質(zhì)不與水直接接觸,其含濕量不變,實現(xiàn)空氣的等濕降溫?常見的間接蒸發(fā)冷卻的冷卻介質(zhì)為冷媒水?

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)高效節(jié)能兼具?間接蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)具有三種工作模式:當室外溫度較低時,直接換熱器換熱模式;室外溫度升高時,開啟間接蒸發(fā)模式;當室外溫度較高時,啟動機械制冷模式?間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可從自然環(huán)境中獲取冷量,與一般常規(guī)機械制冷相比,具備較為顯著的節(jié)能效應(yīng)?

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展完善,應(yīng)用場景廣泛? 按照冷卻器結(jié)構(gòu)可以分為板式間接蒸發(fā)冷卻器和管式間接蒸發(fā)冷卻器兩種形式?板式間接蒸發(fā)冷卻器優(yōu)點是換熱效率高?制造工藝比較成熟,應(yīng)用較多?存在的主要問題是流道窄小,容易堵塞,隨著運行時間增加,換熱效率急劇降低,流動阻力大,布水不均勻?浸潤能力較差,同時由于使用的金屬材料易被腐蝕,造成結(jié)垢?維護困難等?管式間接蒸發(fā)冷卻器優(yōu)點是布水均勻,容易形成穩(wěn)定水膜,有利于蒸發(fā)冷卻的進行,空氣流道較寬,不會產(chǎn)生堵塞,因而流動阻力小,且二次空氣流道和風機便于布置?存在的主要問題是占地空間較大?目前間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)已大量應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心?發(fā)電端?化工?冶金?軌道?機場?醫(yī)藥和市政商用領(lǐng)域?根據(jù)不同的使用場景,可分為分體式?嵌裝式和頂置式?

不同應(yīng)用場景下,間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)制冷方案和其他自然冷卻方法相比優(yōu)勢明顯:對于發(fā)電-電動機等應(yīng)用領(lǐng)域而言: 1)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可實現(xiàn)無泵自循環(huán),運行時系統(tǒng)內(nèi)部壓力低,發(fā)生工質(zhì)泄漏的可能性小?2)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可自動根據(jù)熱負荷調(diào)整運行狀態(tài),無需外加調(diào)節(jié)控制裝置? 3)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)絕緣具有高絕緣性與不燃性,即使發(fā)生介質(zhì)泄漏問題,也不會造成短路等重大事故,因此具有較好的安全性? 4)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)散熱能力強,采用管道內(nèi)冷的形式應(yīng)用于發(fā)電-電動機定子線棒冷卻上,可有效降低銅導桿與主絕緣間溫差,使線棒在軸向和周向上溫度分布更均勻,從而降低熱應(yīng)力?提高主絕緣壽命? 5)蒸發(fā)

冷卻系統(tǒng)維護方便,運行?維護成本低? 對于數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域而言: 1)自然冷源利用效率高? 2)換熱鏈路短,高效換熱? 3)集成度高,環(huán)境要求簡單?4)與傳統(tǒng)機械制冷方法相比,可實現(xiàn)有效節(jié)能? 5)戶外安裝的制冷設(shè)備使得空氣處理機組的維護更方便?

1.1.3 相變材料儲能

相變材料是一類溫度變化時發(fā)生相變的材料,一般利用相變過程吸收或釋放大量潛熱,以達到熱管理的目的?常見相變材料按物理狀態(tài)可分為氣固相變?固液相變?固固相變和氣液相變四類,氣固和氣液相變材料雖然儲能密度大,但是發(fā)生相變過程時體積變化較大,不利于實際應(yīng)用;固固相變材料在相變過程中體積變化小,無氣?液泄漏風險,但是材料難以獲取,且相變溫度較高;相比之下,固液相變材料在熔化或凝固過程中體積變化小,熔點低,相變潛熱大,因此受到廣泛應(yīng)用?

相變材料儲熱系統(tǒng)的優(yōu)點是散熱效果好,無需消耗電池額外能量,同時可用于散熱和加熱使用;缺點是相變前的低熱導率和相變傳熱的遲緩性會限制其在極端服役工況下的應(yīng)用?相變材料儲熱方法已有較多研究,其適用范圍廣,但當電池發(fā)熱量小,未達到相變材料熔點時,相變材料無法通過相變過程潛熱,即相變冷卻失效,所以相變材料冷卻適用于發(fā)熱量較大的電池包?考慮到在大倍率放電過程中電池發(fā)熱量的不一致性,因此,在發(fā)熱量較大部位的相變材料中插入質(zhì)量輕的鋁熱管可以輔助散熱,提高電池均溫性?目前相變材料冷卻多用于電子設(shè)備散熱?相變材料作為一種被動換能材料具有節(jié)能?環(huán)保等優(yōu)勢,目前產(chǎn)業(yè)處于起步階段,未來技術(shù)突破將驅(qū)動產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展,未來市場前景廣闊?

2 通信電子方向熱管理行業(yè)觀察

通信行業(yè)是上下連接 TMT 各領(lǐng)域的重要紐帶, 通過整合各類資源(包括水電?網(wǎng)絡(luò)?土地等)承載上層 TMT 的各類應(yīng)用,是數(shù)字流量與傳統(tǒng)周期品連接的入口,“碳中和”將對其中細分環(huán)節(jié)的長期趨勢產(chǎn)生深遠影響?

2.1 通信電子行業(yè)熱管理需求

2.1.1 消費電子領(lǐng)域

智能手機?平板電腦和可穿戴設(shè)備等消費電子產(chǎn)品的快速增長要求產(chǎn)品性能的不斷提高,增加了散熱需求?隨著 5G 時代帶來的換機潮,預計到 2023 年智能手機出貨量將達到 15.4 億部?5G 手機在擁有更強性能?更快速度的同時,也帶來了功耗增加的弊端,對散熱的要求進一步提高?智能手機的功耗主要來源于處理器?屏幕?射頻前端?攝像頭模組?電池及充電等模塊?5G 時代智能手機進行了全方位的升級,5G 旗艦手機的處理器性能大幅提升?采用高屏幕分辨率及高屏幕刷新率?射頻前端模組化及復雜程度提升?攝像頭模組升級?電池容量及充電功率增加,在此背景下,5G 手機對散熱的要求進一步提高?根據(jù) Wind資訊的統(tǒng)計數(shù)據(jù),2012-2020 年平板電腦出貨量保持高速增長,雖然近幾年略有下滑,但預計未來下降速度會有所緩和?隨著硬件性能和可擴展性的不斷提升,已經(jīng)有部分平板電腦具有替代筆記本電腦的能力,但高性能平板電腦的散熱問題仍需進一步解決?根據(jù) IDC 發(fā)布的數(shù)據(jù),預計 2022 年可穿戴設(shè)備市場可達到1.9 億臺?Apple Watch 中具有醫(yī)療傳感器?無線充電?壓力傳感器?觸覺反饋?藍寶石和 SIP 封裝等技術(shù)特點,其中的無線充電?芯片等對散熱都提出了更高的要求?可穿戴設(shè)備中的芯片?電池?屏幕等都會增加散熱的需求?

2.1.2 5G 基站領(lǐng)域

基站架構(gòu)包括 BBU(Base Band Unite,基帶處理 單元)和 AAU AAU(Active Antenna Unit,有源天線),4G 為 RRU(Remote Radio Unit,射頻處理單元)+天線?5G 基站引入 Massive MIMO 技術(shù),典型應(yīng)用是 64T64R,單基站典型功耗超過 3500W,而 4G 基站主要采用 4T4R MIMO,單基站典型功耗僅 1000W左右?從基站功耗數(shù)據(jù)的構(gòu)成來看,BBU 功耗相對穩(wěn)定,與所插板件相關(guān),受業(yè)務(wù)負荷的影響不大,而 5G AAU 功耗相對于 4G 有 3 倍左右的提升,因此在5G 基站的推廣過程中亟需更節(jié)能的器件及更有效的散熱?

2.1.3 服務(wù)器/IDC 領(lǐng)域

CPU 散熱關(guān)乎服務(wù)器性能?成本和穩(wěn)定性?有發(fā)表在“International Heat Pipe Conference”研究論文指出,服務(wù)器單個 CPU 核溫每提高 10℃,可靠性會降低 50%;55%的 CPU 宕機是因為過熱;服務(wù)器前部需要保持在 25℃以下,才能穩(wěn)定工作?

目前,用于服務(wù)器散熱的空調(diào)因能源載荷高于 IT 設(shè)備,已成為決定數(shù)據(jù)中心 PUE 的關(guān)鍵要素?根據(jù) HP 統(tǒng)計,數(shù)據(jù)中心的能耗中僅有 33%用于 IT 負荷,而整體散熱能源負荷能耗卻高達 63%,散熱負荷已經(jīng)遠遠超過了 IT 設(shè)備?目前,機房中散熱空調(diào)的載荷主要來自主機設(shè)備(包括服務(wù)器?存儲?網(wǎng)絡(luò)等)?外部輔助設(shè)備,發(fā)熱量約占機房總熱量的 80%~95%?而在主設(shè)備中,服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量約占 80%左右?

數(shù)據(jù)中心是碳排放的重要來源?近年來,國家發(fā)布了一系列政策,快速推進數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展?政策主要手段為督促提高數(shù)據(jù)中心效率,降低數(shù)據(jù)中心 PUE?隨著政策對 PUE 要求趨嚴,提高數(shù)據(jù)中心中的可再生能源比例和進一步提高制冷效率的重要性進一步提高?

2.2 通信電子領(lǐng)域散熱設(shè)計解決方案

2.2.1 熱管和 VC 滲透到智能手機,5G 單機散熱 ASP 顯著提升

傳統(tǒng)手機散熱材料以石墨片和導熱凝膠等 TIM 材料為主,但是石墨片存在導熱系數(shù)相對較低,TIM 材料存在厚度相對較大等問題?在手機品牌商的推動下,熱管和 VC(Vapor Chamber)均熱板開始從電腦?服務(wù)器等領(lǐng)域滲透到智能手機終端,并且在石墨烯材料持續(xù)取得突破,也開始切入到消費電子散熱應(yīng)用?相對而言,VC 和石墨烯的導熱系數(shù)高,厚度薄,是散熱材料的更優(yōu)選擇?

2020 年 2 月份發(fā)布的小米 10 系列手機采用了 VC 均熱板+石墨烯+6 層石墨的“三明治”散熱系統(tǒng),大大提升了整機散熱能力;三星 Galaxy S20 Ultra采用 VC 均熱板+石墨+高導碳纖維墊片的散熱方案?2020 年 3 月發(fā)布的華為P40 pro 手機采用 VC 均熱板+3D 石墨烯的散熱方案;VIVO NEX 3s?OPPOFind X2 采用 VC 均熱板散熱技術(shù)?綜合來看,現(xiàn)階段傳統(tǒng)手機散熱方案難以單獨滿 5G 手機散熱要求,以 VC 均熱板為主?石墨及石墨烯等為輔的散熱組合或成為主流散熱方案?

2.2.2 半固態(tài)壓鑄件+吹脹板,5G 基站殼體價值量提升

目前主流的基站散熱方案為:BBU 正面使用鰭片散熱片覆蓋 PCB,僅僅露出電源部分,背面使用金屬散熱片和熱管/均熱板,而內(nèi)部使用導熱界面材料(TIM)?AAU/RRU 由于功耗大幅增加,除了在內(nèi)部使用 TIM 材料填充縫隙之外,還需要使用重量更輕?散熱性能更好的壓鑄殼體,對翅片設(shè)計?殼體材料以及殼體壓鑄工藝都提出更高要求?為解決 5G 基站 AAU 的散熱問題,可以從采用液冷散熱方式?新型的散熱材料?新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計方向入手?

基站熱管/均熱板等液冷散熱模組具有諸多優(yōu)勢:導熱速度快;可承受熱流密度大,消除系統(tǒng)熱點;不存在異種金屬連接,反復的溫度變化不會破壞連接;與熱源面直接接觸,減少接觸熱阻,寬度與長度方向任意調(diào)整?

半固態(tài)壓鑄件具有重量輕和散熱性能好的優(yōu)勢,吹脹板具有熱傳導效率高?制冷速度快的優(yōu)勢,相比于傳統(tǒng)的散熱材料及方案,“半固態(tài)壓鑄件+吹脹板”有望成為 5G 基站 AAU 散熱的主流方案?隨著 5G 商用基站大規(guī)模建設(shè)的推進,將進而驅(qū)動半固態(tài)壓鑄件和吹脹板散熱市場規(guī)模的增長?

基站廠商還可以采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計來提升基站的散熱能力?例如散熱片結(jié)構(gòu)中的散熱齒,下部熱量上部擴散,造成散熱齒結(jié)構(gòu)上部溫度高,降低散熱效率,成為散熱瓶頸?中興通訊采用獨特的 V 齒結(jié)構(gòu)設(shè)計,改進散熱氣流,使冷空氣正面進兩側(cè)出,避免熱級聯(lián),散熱提升 20%,成為業(yè)界首創(chuàng)?華為也采用了獨創(chuàng)的仿生散熱技術(shù)——輥壓接合散熱齒,同樣使基站的整體散熱能力提升 20%?

2.2.3 液冷和兩相傳熱技術(shù)有望成為服務(wù)器散熱標配

我國大部分數(shù)據(jù)中心采用風冷技術(shù)進行降溫處理,隨著 5G 數(shù)據(jù)中心能耗密度提高,傳統(tǒng)的空氣冷卻散熱系統(tǒng)已不能完全滿足服務(wù)器散熱需求?之后,IDC冷卻技術(shù)也發(fā)展出了冷凍水自然冷?直接/間接蒸發(fā)冷卻方案等方案,但直接與服務(wù)器接觸的冷媒仍然是空氣?下一步,液冷和兩相傳熱技術(shù)將憑借低能耗?高散熱效率?低噪音等優(yōu)勢有望取代風冷?成為主流?

液冷方案優(yōu)勢明顯,海外云計算巨頭逐步采用液冷技術(shù)?2018 年,Google宣布將在其數(shù)據(jù)中心采用液冷技術(shù),并表示今后其數(shù)據(jù)中心的降溫方式將向液冷方向轉(zhuǎn)變?微軟?英特爾?IBM?HP 等公司也已經(jīng)在液冷技術(shù)領(lǐng)域布局?目前,全球高密集度?高供電密度的超大型數(shù)據(jù)中心已逐漸采用液冷技術(shù)?根據(jù)咨詢機構(gòu) IDC 預測,拋開傳統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心不計,未來有大概 20%的邊緣計算數(shù)據(jù)中心也將采用液技術(shù)?Research And Markets 數(shù)據(jù)顯示,到 2023 年,全球液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達 45.5 億美元,年復合增長率將達 27.7%?國內(nèi)外主流廠商都在推進液冷技術(shù)研究,除了美國的部分公司外,國內(nèi)以曙光節(jié)能?阿里為代表的廠商也陸續(xù)推出了系列液冷產(chǎn)品?

全浸沒式液冷式服務(wù)器將成為未來技術(shù)大方向?液冷主要有冷板?浸沒和噴淋 3 種技術(shù)路線,冷板式液冷目前已經(jīng)得到了較多的商業(yè)應(yīng)用案例(例如神威太湖之光),而全浸沒式液冷將是超高能耗密度 IDC 發(fā)展的大方向?目前,國內(nèi)液冷服務(wù)器標準得到了阿里?騰訊等云計算廠商的推動,中科曙光?浪潮信息等服務(wù)器廠商和以英維克為代表的溫控解決方案商都紛紛跟進,近年來得到了快速發(fā)展?2020 年 1 月 6 日,ODCC 與阿里在北京舉辦了“浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心開源發(fā)布會”?會上,阿里宣布正式開放“浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心技術(shù)規(guī)范”,指出基于自主研發(fā)的液冷?深層水冷等技術(shù),數(shù)據(jù)中心能效的整體節(jié)能效果超過70%,浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心已經(jīng)全面應(yīng)用于張北數(shù)據(jù)中心,將每萬筆電商交易的耗電量控制在 2 度電以內(nèi),實現(xiàn)“綠色雙 11”的目標?

對于 230W 以上 CPU 功耗的服務(wù)器,基于 ThermaSyphon 的兩相虹吸熱管技術(shù)是解決在緊湊機架體積內(nèi)高密度布置服務(wù)器單元的最佳手段?

2.2.4 導熱材料主要用于解決電子設(shè)備的熱管理問題

導熱材料按應(yīng)用方式分為兩類,一類為導熱界面材料,一類為導熱傳熱材料?導熱界面材料主要是應(yīng)用于系統(tǒng)熱界面之間,通過對粗糙不平的結(jié)合表面填充,用導熱系數(shù)遠高于空氣的熱界面材料替代不傳熱的空氣,使通過熱界面的熱阻變小,提高半導體組件的散熱效率,行業(yè)又稱“熱界面材料”?中電標協(xié)熱管理工作委員會在 2021 年也發(fā)布了第一版《導熱界面材料研究報告(2021)》,全面對導熱界面材料進行了介紹?

傳統(tǒng)的導熱傳熱材料主要是金屬材料,如銅?鋁?銀等?但是金屬材料密度大,膨脹系數(shù)高,在要求高導熱效率的場合尚不能滿足使用要求(如銀?銅?鋁的導熱系數(shù)分別為 430W/m.K, 400W/m.K, 238 W/m.K)?導熱石墨片具有獨特的晶粒取向,可沿兩個方向均勻?qū)?/span>;其通過將手機發(fā)熱的中心溫度分布到一個大區(qū)域以便均勻地散熱?相較于熱管?均溫板等散熱材料,石墨散熱膜具有柔韌性好?質(zhì)量輕薄的性能優(yōu)勢,且易于貼合于攝像頭模組?手機中框?芯片等各種電子元器件中?基于多元化?組合化的散熱方案逐漸成為市場主流,多種散熱材料協(xié)同運作的背景下,石墨散熱膜仍是目前及今后主流散熱材料,市場需求量可觀?而增加石墨散熱膜熱通量則是其未來發(fā)展的主要方向之一。

多層石墨片是當前智能機主流散熱方式?石墨是一種良好的導熱材料,導熱性超過鋼?鐵?鉛等多種金屬材料?石墨片的工作原理是利用其在在水平方向上具有優(yōu)異的導熱系數(shù)的特點(性能好的石墨片導熱系數(shù)能達到 1500-1800W/m·K,而一般的純銅的導熱系數(shù)為 380W/m·K,高的導熱系數(shù)有利于熱量的擴散),能夠迅速降低電子產(chǎn)品工作時發(fā)熱元件所在位置的溫度(熱點溫度),使得電子產(chǎn)品溫度趨于均勻化,這會擴大散熱表面積以達到降低整個電子產(chǎn)品的溫度,提高電子產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性及使用壽命?智能手機中使用石墨片的部件有CPU?電池?無線充電?天線等?

2.3 通信電子方向熱管理行業(yè)觀察小結(jié)

(1) 多元化?組合化散熱方案逐漸成為市場主流

在 5G 時代,作為基礎(chǔ)散熱材料的石墨散熱膜,可與熱管?均溫板?石墨烯散熱膜等高效散熱材料搭配使用,在高端智能設(shè)備市場發(fā)揮巨大優(yōu)勢,且不斷向中低端智能設(shè)備滲透?未來,電子產(chǎn)品?5G 基站?大型服務(wù)器等設(shè)備的散熱方案均將朝著多材料?立體化的組合散熱方式繼續(xù)邁進,逐漸演變?yōu)槎喾N材料“協(xié)同運作?并駕齊驅(qū)”的散熱模式?

(2)石墨散熱膜未來仍為主流散熱材料,市場需求可觀,并朝著高熱通量方向發(fā)展

材料的熱通量是指單位面積的材料在單位時間內(nèi)所傳遞的熱能?通常情況下,材料厚度越大,單位時間內(nèi)可傳遞的熱能更多,其熱通量也就越高,散熱效果越好?通過增加石墨散熱膜厚度進而加大熱通量的方法能較好匹配 5G 時代高功率電子設(shè)備的散熱需求?石墨散熱膜由于材料特性,本身厚度薄?質(zhì)量輕,最大厚度也不及熱管?均溫板的 1/2,因此增加石墨散熱膜厚度提高材料熱通量,既不會影響電子產(chǎn)品輕薄便攜?美觀的形態(tài)要求,還可以進一步提升各元器件和整機的散熱效率,增強電子產(chǎn)品可靠性?高熱通量石墨散熱膜是 5G 時代極具性能優(yōu)勢的散熱材料之一?

通過增加材料厚度提高熱通量通?？刹捎脙煞N途徑,一種是將常規(guī)石墨散熱膜反復粘貼膠帶疊加在一起,但由于膠類材料熱阻通常較高,導致多層石墨膜散熱效果并不理想;另一種則是采用超厚 PI 膜通過特殊工藝燒制而成,無需使用膠帶粘合,生產(chǎn)的高熱通量的厚石墨膜具有更好的散熱效果?

制作高熱通量的厚石墨散熱膜不僅要求原材料 PI 膜到達相應(yīng)厚度,同時還對生產(chǎn)商核心技術(shù)的掌握程度?生產(chǎn)工藝的熟悉程度以及操作人員的專業(yè)素質(zhì)都有著較高要求

(3)熱管及均溫板滲透率不斷增加,并朝著超輕?超薄?高強度方向發(fā)展

隨著電子產(chǎn)品朝著超輕?超薄化的趨勢演變,將熱管和均溫板的厚度控制在合理范圍且仍保持優(yōu)秀的散熱效果將面臨極大挑戰(zhàn),尤其在生產(chǎn)工藝上,需要保證其內(nèi)部擁有高毛細力與一定的內(nèi)腔空間以供液體和蒸汽充分循環(huán)流動,維持良好的散熱效果?對于熱管,在壓縮厚度并維持高性能同時,不僅需要選擇合適的毛細結(jié)構(gòu),同時還需要保證工作中蒸汽的傳播速率,例如利用凹槽型毛細結(jié)構(gòu)設(shè)計并在狹小的內(nèi)腔中開辟新的通道,使得工作時蒸汽流動通道加大同時也進一步降低整體厚度,這對生產(chǎn)商的技術(shù)儲備以及設(shè)計能力都有著極高的要求?而降低均溫板的厚度條件通常更為苛刻,一方面,均溫板制作工藝復雜?精細化程度較高,厚度越薄,則銅片封合的間隙越難掌控,封合階段的良品率也就越低;另一 方面,均溫板厚度越薄,意味著其內(nèi)部毛細通道與蒸汽通道空間越小?蒸汽的有效傳播距離更短,均溫板的工作性能也將損失更多?因此,生產(chǎn)商封合技術(shù)的先進性以及對內(nèi)部蒸汽通道的合理設(shè)計將成為制造高強度超薄均溫板的關(guān)鍵?

(4)擁有優(yōu)質(zhì)特性和成本優(yōu)勢的石墨烯膜將成為極具競爭力的散熱材料

石墨烯擁有其他材料所不具備的特殊性能,如優(yōu)異的電學性能?出色的機械性能?超高的導熱性?優(yōu)異的阻隔性能等,可運用于能源?環(huán)境?電子?化工等多類行業(yè),具備良好的發(fā)展前景?

由于石墨烯在面內(nèi)方向是各向同性的,在平面內(nèi)的熱傳導不會存在方向性,通過獨特的加工工藝,可得到任意厚度(特別是超厚)的石墨烯散熱膜?石墨烯散熱膜導熱效率實驗可達 5300W/m.K,因此將石墨烯用于散熱材料領(lǐng)域,開發(fā)新型石墨烯散熱薄膜為大勢所趨?

此外,石墨烯散熱膜還具有良好的耐彎折性及柔韌性,在折疊屏?柔性屏等智能設(shè)備散熱方案中占據(jù)優(yōu)勢,是未來極具競爭力的散熱材料?

石墨烯散熱膜系通過氧化還原天然石墨得到原材料后加工制成,相較于石墨散熱膜,在材料成本方面更具優(yōu)勢?但由于目前石墨烯加工工藝復雜,對設(shè)備投資?研發(fā)實力?人員技能的要求較為苛刻,能熟練掌握全套生產(chǎn)工藝的廠商較少,產(chǎn)品良率偏低?同時,由于產(chǎn)線前期投資較高,產(chǎn)品規(guī)模效應(yīng)尚未凸顯,目前產(chǎn)品單位成本普遍偏高?未來,隨著加工工藝不斷優(yōu)化與改進,石墨烯散熱膜的生產(chǎn)質(zhì)量將進一步得到保障,產(chǎn)?銷量持續(xù)擴大,成本優(yōu)勢逐漸體現(xiàn),成為極具市場競爭力的新型散熱材料?

未完待續(xù)，期待下篇。

來源：《熱控及熱管理》期刊

作者：孫萌

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