導(dǎo)語：5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對(duì)于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時(shí)，引起了這些部位發(fā)熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

本產(chǎn)品是國內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)的高質(zhì)量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、低介電系數(shù)、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當(dāng)前我國電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問題，擁有國際先進(jìn)的熱管理TIM解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型高科技產(chǎn)品。

瞬態(tài)平面熱源技術(shù)(Transient Plane Source Method, TPS 測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的一種方法

一

定義

瞬態(tài)平面熱源技術(shù)(Transient Plane Source Method, TPS)用于測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的一種方法，是由瑞典Chalmer理工大學(xué)的Silas Gustafsson教授在熱線法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)專利技術(shù)。

在研究材料時(shí)能夠同時(shí)測(cè)量熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率以及單位體積的熱容。這種方法采用一個(gè)瞬間熱平面探頭，在大多數(shù)應(yīng)用中被稱之為Hot Disk熱常數(shù)分析儀。瞬態(tài)平面熱源技術(shù)在國內(nèi)正在被越來越多地研究人員應(yīng)用于各種不同類型材料的熱物性的測(cè)試。

二

原理

瞬態(tài)平面熱源法測(cè)定材料熱物性的原理是基于無限大介質(zhì)中階躍加熱的圓盤形熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng)。利用熱阻性材料做成一個(gè)平面的探頭，同時(shí)作為熱源和溫度傳感器。鎳的熱阻系數(shù)——溫度和電阻的關(guān)系呈線性關(guān)系，即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映樣品的導(dǎo)熱性能。Hotdisk探頭采用導(dǎo)電金屬鎳經(jīng)刻蝕處理后形成的連續(xù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的薄片，外層為雙層的聚酰亞胺(Kapton)保護(hù)層，厚度只有0．025mm，它令探頭具有一定的機(jī)械強(qiáng)度并保持與樣品之間的電絕緣性。在測(cè)試過程中，探頭被放置于中間進(jìn)行測(cè)試。電流通過鎳時(shí)，產(chǎn)生一定的溫度上升，產(chǎn)生的熱量同時(shí)向探頭兩側(cè)的樣品進(jìn)行擴(kuò)散，熱擴(kuò)散的速度依賴于材料的熱傳導(dǎo)特性。通過記錄溫度與探頭的響應(yīng)時(shí)間，由數(shù)學(xué)模型可以直接得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率，兩者的比值得到體積比熱。

初始測(cè)試時(shí)，在Kapton涂層上會(huì)產(chǎn)生很小的溫度下降，經(jīng)過很短的，由于輸出功率是恒定的，溫度的下降將保持恒定。探頭的電阻變化可用下式表示。

R(t)=Ro[1+α△Ti+α△T(τ)] (1)

其中

Ro：探頭在瞬間記錄前的電阻；

α：電阻溫度系數(shù)（TCR）；

△Ti：薄膜保護(hù)層中的溫差（由于保護(hù)層非常薄，在很短時(shí)間內(nèi)可以把△Ti看作是定值）；

△T(τ)：與試樣處于理想完全接觸時(shí)探頭平均溫升。

而△T(τ)可以表示為：

△T(τ)=QD(τ)/(λroπ^3/2) (2)

其中：

Q：恒定輸出功率；

ro：探頭半徑；

λ：被測(cè)樣品導(dǎo)熱系數(shù)，即我們要求的值；

D(τ)：無因此時(shí)間函數(shù)。

假設(shè)R*=Ro(1+α△Ti), K=αRoQ/(λroπ^3/2)，將(2)式代入(1)式得：

R(t)=R* + K D(τ) (3)

將測(cè)得的電阻值R(t)對(duì)D(τ) 作圖得到一條直線，截距是C。通過反復(fù)變換特征時(shí)間θ擬合，使R(t)對(duì)D(τ)的 得直線相關(guān)性達(dá)到最大，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)便可以由直線的斜率K計(jì)算得出。

三

HOTDISK設(shè)備TPS測(cè)試

Hot Disk技術(shù)

現(xiàn)有的瞬態(tài)平面熱源(TPS)方法可以在一次測(cè)量中快速、準(zhǔn)確、無損地檢測(cè)大多數(shù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容。導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)是直接測(cè)定的，而比熱是通過前兩個(gè)結(jié)果計(jì)算得出。

TPS方法的一個(gè)關(guān)鍵是它是絕對(duì)的方法，不需要重復(fù)校準(zhǔn)或使用標(biāo)準(zhǔn)樣品。它是高度靈活的，只需要一到兩件樣品來測(cè)試，每件僅需要一個(gè)適用于Hot Disk雙螺旋傳感器的平面。利用Hot Disk熱導(dǎo)儀，樣品可以按原樣進(jìn)行測(cè)試，不需要固定的樣品幾何形狀，接觸劑或表面修改。

什么是5G?

一

定義

“5G”一詞通常用于指代第5代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。5G是繼之前的標(biāo)準(zhǔn)（1G、2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)）之后的最新全球無線標(biāo)準(zhǔn)，并為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G有助于建立一個(gè)新的、更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)備爆炸式增長的連接——該網(wǎng)絡(luò)不僅可以連接人們通常使用的端點(diǎn)，還可以連接一系列新設(shè)備，包括各種家用物品和機(jī)器。

公認(rèn)的5G優(yōu)勢(shì)是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網(wǎng)絡(luò)

?更高的峰值數(shù)據(jù)速度（多Gbps）

?超低延遲

與前幾代網(wǎng)絡(luò)不同，5G網(wǎng)絡(luò)利用在26GHz 至40GHz范圍內(nèi)運(yùn)行的高頻波長（通常稱為毫米波）。由于干擾建筑物、樹木甚至雨等物體，在這些高頻下會(huì)遇到傳輸損耗，因此需要更高功率和更高效的電源。

5G部署最初可能會(huì)以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶應(yīng)用為中心，滿足以人為中心的多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)接入需求。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶用例將包括全新的應(yīng)用領(lǐng)域、性能提升的需求和日益無縫的用戶體驗(yàn)，超越現(xiàn)有移動(dòng)寬帶應(yīng)用所支持的水平。

二

毫米波是關(guān)鍵技術(shù)

毫米波通信是未來無線移動(dòng)通信重要發(fā)展方向之一，目前已經(jīng)在大規(guī)模天線技術(shù)、低比特量化ADC、低復(fù)雜度信道估計(jì)技術(shù)、功放非線性失真等關(guān)鍵技術(shù)上有了明顯研究進(jìn)展。但是隨著新一代無線通信對(duì)無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)提出新的長距離、高移動(dòng)、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求，針對(duì)毫米波無線通信的理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨重大挑戰(zhàn)，開展面向長距離、高移動(dòng)毫米波無線寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，已經(jīng)成為新一代寬帶移動(dòng)通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優(yōu)勢(shì)：毫米波由于其頻率高、波長短，具有如下特點(diǎn)：

頻譜寬，配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù)；可靠性高，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩(wěn)定的傳輸信道；方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄，增大了竊聽難度，適合短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。

毫米波的缺點(diǎn)：毫米波也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，那就是不容易穿過建筑物或者障礙物，并且可以被葉子和雨水吸收，對(duì)材料非常敏感。這也是為什么5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)采用小基站的方式來加強(qiáng)傳統(tǒng)的蜂窩塔。

什么是TIM熱管理?

定義

熱管理？顧名思義，就是對(duì)“熱“進(jìn)行管理，英文是：Thermal Management。熱管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)以及國防等各個(gè)領(lǐng)域，控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換。先進(jìn)的熱管理材料構(gòu)成了熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而熱傳導(dǎo)率則是所有熱管理材料的核心技術(shù)指標(biāo)。

導(dǎo)熱率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力，按傅立葉定律，其定義為單位溫度梯度（在1m長度內(nèi)溫度降低1K）在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。熱導(dǎo)率大，表示物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或?yàn)闊峤^緣體。

5G手機(jī)以及硬件終端產(chǎn)品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，電子設(shè)備和許多其他高功率系統(tǒng)的性能和可靠性受到散熱問題的嚴(yán)重威脅。要解決這個(gè)問題，散熱材料必須在導(dǎo)熱性、厚度、靈活性和堅(jiān)固性方面獲得更好的性能，以匹配散熱系統(tǒng)的復(fù)雜性和高度集成性。

一

5G時(shí)代高功率、高集成、高熱量趨勢(shì)明顯，熱管理成為智能手機(jī)“硬需求”

一代通信技術(shù)，一代手機(jī)形態(tài)，一代熱管理方案。通信技術(shù)的演進(jìn)，會(huì)持續(xù)引發(fā)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的變革，并推動(dòng)手機(jī)芯片和元器件性能快速提升。但與此同時(shí)，電子器件發(fā)熱量迅速增加，對(duì)手機(jī)可靠性和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從4G時(shí)代進(jìn)入5G時(shí)代，智能手機(jī)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(biāo)配，手機(jī)散熱壓力持續(xù)增長。5G手機(jī)散熱的主流方案，高導(dǎo)熱材料、并加速向超薄化、結(jié)構(gòu)簡單化和低成本方向發(fā)展，技術(shù)迭代正在加速進(jìn)行。未來隨著5G終端產(chǎn)品進(jìn)一步放量，TIM市場(chǎng)增長潛力巨大。

2020年，5G技術(shù)邁向全面普及，消費(fèi)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(biāo)持續(xù)上升，5G時(shí)代電子器件在性能不斷提升的同時(shí)，工作功耗和發(fā)熱量急遽升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠、石墨導(dǎo)熱片、熱管和均熱板（VC）等技術(shù)相繼出現(xiàn)、持續(xù)演進(jìn)，散熱管理已經(jīng)成為5G時(shí)代電子器件的“硬需求”。

（一）智能手機(jī)功耗持續(xù)提升，散熱需求水漲船高4G時(shí)代，智能手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速度和處理能力相比2G、3G時(shí)代有顯著提升，AR、高清視頻、直播等應(yīng)用場(chǎng)景加速落地，人們對(duì)手機(jī)性能的要求越來越高，推動(dòng)手機(jī)硬件配置快速迭代。但與此同時(shí)，智能手機(jī)發(fā)熱的問題也越來越嚴(yán)重，手機(jī)發(fā)燙、卡頓和死機(jī)時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致主板燒壞乃至爆炸。

根據(jù)EUCNC數(shù)據(jù)，LTE智能手機(jī)功耗主要來源于功率放大器、應(yīng)用處理器、屏幕和背光、信號(hào)收發(fā)器和基帶處理器。隨著消費(fèi)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(jī)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(lǐng)高端市場(chǎng)；

（3）內(nèi)置更多無線功能，例如NFC、GPS、藍(lán)牙和無線充電；

（4）機(jī)身越來越薄，封裝密度越來越高。表1 手機(jī)主要熱量來源

隨著5G技術(shù)逐漸走向成熟，智能手機(jī)對(duì)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(jī)射頻前端支持的頻段數(shù)量大幅增加，需采用Massive MIMO技術(shù)以增強(qiáng)信號(hào)接收能力，天線數(shù)量和射頻器件數(shù)量遠(yuǎn)超4G手機(jī)；（2）5G手機(jī)芯片處理能力有望達(dá)到4G手機(jī)的5倍以上，手機(jī)發(fā)熱密度絕對(duì)值將是4G手機(jī)的2倍以上；（3）5G信號(hào)穿透能力變?nèi)?，手機(jī)機(jī)身材質(zhì)逐漸向陶瓷和聚合物轉(zhuǎn)變，加之5G手機(jī)越來越緊湊，導(dǎo)致散熱能力越來越弱。（二）5G來襲發(fā)熱量劇增，散熱需求進(jìn)一步凸顯通信制式及手機(jī)支持頻率

表2 射頻前端價(jià)值對(duì)比測(cè)量

此外，5G手機(jī)普遍采用基帶外掛的方案，相關(guān)電路和電源芯片也要增加，手機(jī)內(nèi)部功耗相應(yīng)增加；由于5G覆蓋范圍不足，導(dǎo)致手機(jī)頻繁啟動(dòng)5G信號(hào)搜索功能，發(fā)熱量也會(huì)變大。試驗(yàn)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(jī)中不能省掉、必不可少的環(huán)節(jié)。 （三）散熱解決方案多樣，導(dǎo)熱材料器件頻頻現(xiàn)身一般而言，電子器件散熱有主動(dòng)散熱（降低手機(jī)自發(fā)熱量）和被動(dòng)散熱（加快熱量向外散出）兩種路線。其中，主動(dòng)散熱主要利用與發(fā)熱體無關(guān)的動(dòng)力元件強(qiáng)制散熱，一般應(yīng)用于高功率密度且體積相對(duì)較大的電子設(shè)備，如臺(tái)式機(jī)和筆記本中配備的風(fēng)扇、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的液冷散熱；被動(dòng)散熱則主要通過導(dǎo)熱材料和導(dǎo)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(dòng)力元件參與的散熱方式，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板、智能手表、戶外基站等。表3 熱量傳遞方式及相關(guān)散熱解決方案

電子器件散熱過程示意圖目前，電子器件使用的散熱技術(shù)主要包括石墨散熱、金屬背板、邊框散熱、導(dǎo)熱凝膠散熱等導(dǎo)熱材料，以及熱管、VC等導(dǎo)熱器件。其中，導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)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(wù)器等中大型電子設(shè)備中使用。

主要導(dǎo)熱材料

導(dǎo)熱系數(shù)和厚度是評(píng)估散熱材料的核心指標(biāo)。傳統(tǒng)手機(jī)散熱材料以石墨片和導(dǎo)熱凝膠等熱界面材料（TIM）為主，但是石墨片存在導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，TIM材料則存在厚度相對(duì)較大等問題。在手機(jī)廠商的推動(dòng)下，石墨烯材料持續(xù)取得突破，開始切入到消費(fèi)電子散熱應(yīng)用；熱管和VC厚度不斷降低，開始從電腦、服務(wù)器等領(lǐng)域滲透到智能手機(jī)領(lǐng)域。

不同散熱材料/器件的導(dǎo)熱效率2019年12月，OPPO在新發(fā)布的Reno3 Pro 5G手機(jī)中，采用了“VC液冷散熱+多層石墨片覆蓋”的立體液冷散熱系統(tǒng)。其中，定制版柔性屏上覆蓋了一層銅箔和雙層石墨片，將屏幕的熱能均勻傳導(dǎo)出去。導(dǎo)熱凝膠將處理器附近的熱能傳導(dǎo)至VC，并通過VC內(nèi)的液體進(jìn)行熱傳導(dǎo)和降溫。中框及電池蓋均覆蓋了3層石墨片，進(jìn)一步加強(qiáng)散熱。

OPPOReno 3 Pro散熱模組示意圖

二

熱管/均熱板解決方案優(yōu)勢(shì)顯著，超薄均熱板技術(shù)迭代進(jìn)一步加速

熱管和均熱板利用熱傳導(dǎo)與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，導(dǎo)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(shù)方案，近年來在智能手機(jī)領(lǐng)域開始獲得廣泛應(yīng)用。其中，熱管的導(dǎo)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(shù)的升級(jí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)的提升。

TGP（Thermal Ground Plane），扁式熱管

三

氮化硼膜材特點(diǎn)：高導(dǎo)熱、低介電、絕緣、透波、抗電壓、柔性

六方氮化硼（h-BN）這種二維結(jié)構(gòu)材料，名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一樣，僅有一個(gè)原子厚度。但是兩者很大的區(qū)別是六方氮化硼是一種天然絕緣體而石墨烯是一種完美的導(dǎo)體。與石墨烯不同的是，h-BN的導(dǎo)熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術(shù)層面上講，一個(gè)聲子即是一組原子中的一個(gè)準(zhǔn)粒子）。

有材料專家說道：“使用氮化硼去控制熱流看上去很值得深入研究。我們希望所有的電子器件都可以盡可能快速有效地散射。而其中的缺點(diǎn)之一，尤其是在對(duì)于組裝在基底上的層狀材料來說，熱量在其中某個(gè)方向上沿著傳導(dǎo)平面散失很快，而層之間散熱效果不好，多層堆積的石墨烯即是如此。”與石墨中的六角碳網(wǎng)相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網(wǎng)狀層面，互相重疊，構(gòu)成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數(shù)兩者也頗為相近。

基于二維氮化硼納米片的復(fù)合薄膜，此散熱膜具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、高絕緣、低介電系數(shù)、低介電損耗等優(yōu)異特性，是5G射頻芯片、毫米波天線領(lǐng)域最為有效的散熱材料之一。