一代通信技術，一代手機形態，一代熱管理方案。通信技術的演進，會持續引發移動互聯網應用場景的變革，并推動手機芯片和元器件性能快速提升。但與此同時，電子器件發熱量迅速增加，對手機可靠性和移動互聯網發展帶來了嚴峻挑戰。從4G時代進入5G時代，智能手機芯片性能、數據傳輸速率、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，手機散熱壓力持續增長。由于在散熱效率方面極具優勢，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展，技術迭代正在加速進行。未來隨著5G終端產品進一步放量，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，消費電子產品向高功率、高集成、輕薄化和智能化方向加速發展。由于集成度、功率密度和組裝密度等指標持續上升，5G時代電子器件在性能不斷提升的同時，工作功耗和發熱量急遽升高。據統計，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、持續演進，散熱管理已經成為5G時代電子器件的“硬需求”。

數據來源：埃米空間

（一）智能手機功耗持續提升，散熱需求水漲船高

4G時代，智能手機數據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，智能手機發熱的問題也越來越嚴重，手機發燙、卡頓和死機時有發生，嚴重時甚至會導致主板燒壞乃至爆炸。

數據來源：Yole Development，EUCNC

根據EUCNC數據，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、信號收發器和基帶處理器。隨著消費電子產品向高集成、輕薄化和智能化方向發展，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，主要表現為以下幾方面：
（1）5G手機射頻前端支持的頻段數量大幅增加，需采用Massive MIMO技術以增強信號接收能力，天線數量和射頻器件數量遠超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信號穿透能力變弱，手機機身材質逐漸向陶瓷和聚合物轉變，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

數據來源：Yole Development

表2 射頻前端價值對比測量

數據來源：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、必不可少的環節。    

（三）散熱解決方案多樣，導熱材料器件頻頻現身

一般而言，電子器件散熱有主動散熱（降低手機自發熱量）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、數據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生的熱量釋放到環境中，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

數據來源：埃米空間

電子器件散熱過程示意圖

數據來源：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（數據來源：中石科技招股說明書）

導熱系數和厚度是評估散熱材料的核心指標。傳統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

（數據來源：安信證券）

2、熱管/均熱板解決方案優勢顯著，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的快速熱傳遞性質，導熱系數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，進一步實現了導熱系數的提升。

TGP（Thermal Ground Plane）

扁式熱管數據來源：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。管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據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（由液體表面張力產生）回流液體，管內液體在吸熱段吸熱蒸發，冷卻段冷凝回流，循環帶走熱量。

熱管結構與導熱機制示意圖

（數據來源：TECHBRIEFS官網）

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明熱管技術。此后，熱管技術迅速應用于宇航、軍工等行業。隨著消費電子產業的發展，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

（數據來源：《Frontiers in Heat and Mass Transfer》）

熱管在不同領域的應用

（數據來源：《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、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

（數據來源：安信證券）

不同種類的VC均熱板

（數據來源：TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY）

隨著5G手機功耗持續升高，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更高，但是原理是加快熱量從手機發熱部件轉移到環境中的速度，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）均熱板產品快速迭代，技術方案持續演進

均熱板與熱管的區別，還在于器件結構的差異。傳統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，形成穩固的均熱板。隨著工藝技術的發展，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化升級，相關產品快速迭代。

VC均熱板結構示意圖

（數據來源：互聯網）

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均熱板制程發展的必然趨勢，注水除氣、插鼠尾、置銅網等關鍵工序將實現高度自動化。未來幾年，VC均熱板生產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企業將獲得競爭優勢，市場競爭將進一步加劇。

一種超薄均熱板

（數據來源：Trivision Etching Technoogy）

3、總 結

根據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。

數據來源：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，自動化程度繼續提升，國際競爭日趨激烈。

比熱管還高級？VC均熱板真的好用嗎？

01 新興的VC均溫板

熱管雖然非常適合筆記本和手機這類超輕薄的移動設備，但在“瘦身風潮”肆虐的當下，無論是游戲本還是游戲手機也都以更性感的身材為榮，有限的內部空間用于很難安置更多、更長和更粗的熱管。

因此，業內迫切需要一種比熱管導熱效率更高的散熱部件。于是，名為VC（Vapor Chamber）的“均熱板”（又稱“均溫板”）便出現了。

02 VC均熱板的散熱原理

作為筆記本和智能手機的新型散熱方式，VC均熱板同樣屬于相變導熱的代表，也是由純銅打造的內部密封且中空（內壁不光滑，布滿毛細結構），并填充冷凝液的散熱單元，只是它的形態并非熱管的扁平“條狀”，而是呈現出更寬的扁平“片狀”。

VC均熱板的內部結構

VC均熱板的工作原理和熱管有相似也有不同，但大體上都包含傳導→蒸發→對流→凝固四個步驟。

首先，發熱源（芯片）運行時產生的熱量傳導至VC均熱板的蒸發端，內部的冷凝液會迅速吸收這些熱量并轉化為蒸氣，從而帶走大量的熱能。由于水蒸氣的潛熱性，VC均熱板的熱蒸汽會由高壓區擴散到低壓區（冷凝端），當蒸汽接觸溫度較低的內壁時會迅速凝結為液體并釋放熱能。最后，這些液體會利用毛細作用流回蒸發端，最終形成一個水氣并存的雙相循環系統。

熱管的散熱原理

熱管和VC均熱板的差異主要表現在內部的傳導方式方式上。熱管受制于“條狀”形態，熱量（熱蒸汽）只能在左右兩個方向上進行線性傳導。此外，在熱管和發熱源（芯片）之間往往還需嵌入一層散熱基板，后者的材質、面積和填充物也會影響一定的導熱效率。

VC均熱板的工作原理

反觀VC均熱板，得益于其“片狀”的形態，熱量可以向多個水平方向傳導，冷凝的效率更高，而且它與熱源以及散熱介質的接觸面積更大，能夠使表面溫度更加均勻。由于VC均熱板和能與發熱源直接接觸無需基板，還可進一步降低熱阻。總之，更大面積的VC均熱板可以更好地減少熱點，實現芯片下的等溫性，較之熱管可以做得更薄，在水平方向上的散熱性能堪稱完美。因此，這種導熱單元更加符合目前筆記本和智能手機輕薄化、空間利用最大化的發展趨勢。

03 VC與熱管的混合應用

相對于熱管而言，VC均熱板的成本更高，所以它很難在筆記本領域迅速普及，但在高端智能手機身上卻已經有了燎原的趨勢。為了進一步提升散熱效率，無論是手機還是PC領域還出現了熱管和VC均熱板混搭的案例。

在PC領域，熱管和VC混搭常見于CPU散熱器，很多散熱器與CPU接觸的部分就是VC均熱板，而且它們還實現了均熱板與熱管的無縫結合，冷凝液和熱蒸汽可以在這兩種導熱單元之間循環，從最大限度挖掘出了蒸汽→液體→蒸汽的高效導熱特性。

標簽： 導熱散熱 散熱器 點擊： 評論: