基于相變材料的智能手機散熱系統(tǒng)設計

摘要：針對智能手機中高功率 5G 芯片及大容量鋰離子電池的散熱問題，提出一種新型散熱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用質(zhì)量分數(shù)為 92% 的石蠟/石墨與質(zhì)量配比為 64∶36 的月桂酸/肉豆蔻酸分別作為 5G 芯片及鋰離子電池的相變冷卻介質(zhì)，并通過石墨烯和銅箔組成的復合散熱層協(xié)助散熱。通過數(shù)值分析，研究了相變材料的液相體積分數(shù)，融化率及各元件溫度。結(jié)果表明: 隨相變材料融化率的增大，對元件溫升的抑制效果越明顯。在 5G 芯片與鋰離子電池中采用不同物理性質(zhì)的相變材料使其溫度分別下降了 8． 67% ，10． 49% ，散熱效果較為明顯。復合散熱層的加入可以有效降低手機內(nèi)部溫度，提升智能手機的安全可靠性。

關鍵詞：5G 芯片; 鋰離子電池; 相變材料

1 引言

隨著 5G 技術(shù)的深度發(fā)展，大功率 5G 芯片在電信基站、智能手機/平板電腦、互聯(lián)網(wǎng)汽車和寬帶接入等領域得到廣泛普及和應用。新一代 5G芯片采用高密度封裝，單位容積的生熱量不斷增大，在密閉且高度集成的條件下，芯片溫度難免持續(xù)升高。芯片的正常工作溫度范圍一般在 －5 ℃ ～ 70 ℃，處于高溫工作環(huán)境下的芯片會產(chǎn)生不同程度的失效，影響到系統(tǒng)的循環(huán)使用壽命和安全可靠性，甚至可能危及使用者的安全。研究數(shù)據(jù)表明: 當電子芯片溫度高于 70 ℃ 時，溫度每升高 10 ℃，其穩(wěn)定性會下降 50% ，這種現(xiàn)象在智能手機中尤為突出。5G 芯片需要支持更多的頻段和實現(xiàn)更加復雜的功能，其功率消耗約為 4G芯片的 2． 5 倍，將達到 10 ～ 12 W。功率的提升意味著需要配備更大容量的鋰離子電池，而鋰離子電池也是智能手機的主要產(chǎn)熱部件之一，其正常工作溫度范圍為 0 ℃ ～ 40 ℃。當鋰離子電池溫度高于 40 ℃時，電池內(nèi)部化學反應加劇，容量大幅衰減，甚至出現(xiàn)隔膜變形、電解液分解等現(xiàn)象，存在爆炸隱患。因此，提出更高效合理的散熱方案，對提高智能手機的安全可靠性及循環(huán)性具有重要意義。

當前應用于智能手機的散熱方式主要有: 石墨烯散熱，熱管散熱和均熱板散熱。石墨烯具有低密度、耐高溫、導熱性強、穩(wěn)定性高等特點，Gao等人采用熱化學氣象沉積技術(shù)將制備的單層石墨烯薄膜應用于微型芯片上，芯片熱斑溫度由394 K 下降至 381 K。熱管與均熱板的原理大致相似，均為液體在氣液相變過程中的熱量傳遞。陶等人以高速芯片模塊為研究對象，采用熱管散熱器對其進行仿真熱分析，結(jié)果表明，芯片的最高溫度下降了 20 K，系統(tǒng)最高溫差下降了 10 K，熱管技 術(shù) 有 效 緩 解 了 芯 片 的 散 熱 問題。紀等人為解決大功率光電芯片的散熱問題，采用泡沫金屬作為毛細吸液芯構(gòu)建了一種新型一體化平板熱管，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)平板熱管可以消除接觸熱阻，使散熱系統(tǒng)處于均溫狀態(tài)并能夠承載大熱流密度。Boukhanouf 等人通過監(jiān)測不同熱流密度下均熱板蒸發(fā)界面的溫度，得出均熱板具有良好的溫度擴展性能。陳等人通過建立高熱流密度相變均熱板傳熱模型，分析其傳熱特性并提出強化傳熱措施，以達到更好的換熱效果。

綜上所述，從現(xiàn)有研究可以得出: 電子芯片的散熱方式并不單一，但基于相變的散熱形式中，大多均以水作為相變介質(zhì)，因此存在漏液風險。同時，在智能手機中對于溫升結(jié)構(gòu)不同的 5G 芯片和鋰離子電池采用一套冷卻系統(tǒng)，一定程度上會影響電子元件的性能。為此，本文以 5G 芯片和鋰離子電池作為研究對象，基于不同性質(zhì)的定型相變材料構(gòu)建散熱系統(tǒng)。利用 CFD 仿真技術(shù)，通過數(shù)值模擬和優(yōu)化分析，設計符合性能要求的智能手機散熱系統(tǒng)。

2 散熱系統(tǒng)設計

2． 1 物理模型

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由于 5G 芯片的高度集成化設計，其內(nèi)部微小單元中集成電路繁多，與鋰離子電池內(nèi)部的層疊纏繞結(jié)構(gòu)相比更為復雜，若按照各元件的真實結(jié)構(gòu)進行建模仿真，龐大的網(wǎng)格數(shù)量將嚴重影響計算效率。為此采用集中參數(shù)法建立模型，即將5G 芯片與鋰離子電池看作溫度均勻分布的均質(zhì)體，如圖 1 所示。

圖1模型示意圖

考慮到 5G 芯片與鋰離子電池工作溫度范圍的差異，以及液體散熱介質(zhì)在電子元件中可能出現(xiàn)的漏液風險，故采用將熔點不同的定型相變材料分別覆蓋至 5G 芯片與鋰離子電池表面的散熱方案。定型相變材料在達到相變溫度時，不會產(chǎn)生宏觀上的液體流動，相變過程中不存在滲漏現(xiàn)象，在規(guī)避漏液風險的同時可滿足相應散熱需求。根據(jù) 5G 芯片和鋰離子電池的工作溫度范圍，分別選用質(zhì)量分數(shù)為 92% 的石蠟/石墨和質(zhì)量配比為 64∶36 的月桂酸/肉豆蔻酸作為相變介質(zhì)，并通過在相變材料表面添加由銅箔和石墨烯納米碳涂層組成的復合散熱層協(xié)助散熱。相變材料的融化過程將各電子元件中的熱量吸收并短暫儲存，利用復合散熱層快速傳遞至手機殼體外側(cè)，避免熱量在智能手機內(nèi)部聚集，出現(xiàn)熱失效。散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2． 2 數(shù)學模型

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基于傳熱學的理論，石蠟/石墨與月桂酸/肉豆蔻酸這兩種復合材料作為相變介質(zhì)進行冷卻散熱的過程本質(zhì)是相變傳熱。隨溫度的變化，相變材料在固相與液相間相互轉(zhuǎn)化，并伴隨熱量的吸收或釋放，過程中會出現(xiàn)兩相共存的臨界狀態(tài)，即固液兩相分界面。對于該過程，F(xiàn)luent 采用焓－ 孔隙率的方法分析凝固/融化過程中的相界面，引入液相分數(shù)的概念，表達為式( 1) ，通過液相分數(shù)來間接的描述相界面的變化過程。

式中，φ 為液相分數(shù); T 為溫度; Ts為相變材料的固相溫度; Tl為相變材料的液相溫度，當 0 ＜φ ＜ 1 時，定義相變材料處于糊狀區(qū)。

相變傳熱過程的研究分為兩種模型，即溫度法模型和焓法模型。兩者區(qū)別在于因變量的不同，以溫度和相界面位置作為因變量的溫度法模型需要監(jiān)測兩相區(qū)域的體積變化，以此建立能量守恒方程。而以溫度和焓作為因變量的焓法模型可以統(tǒng)一固相與液相的控制方程，進而建立對整個區(qū)域的能量守恒方程。因便于數(shù)值計算，焓法模型被應用到多數(shù)相變問題中，其控制方程為:

式中，u 為 x 方向上的速度; v 為 y 方向上的速度; t 為時間; ρ 為密度; μ 為動力粘度; λ 為導入系數(shù); p 為壓強; H 為比焓; cp為比熱; Su為 x 方向上的動量源項; Sv為 y 方向上的動量源項，Sh為能量源項。

3 參數(shù)設定

設定環(huán)境溫度為 25 ℃，對流換熱系數(shù)為 5W/( m2·K) 。作為熱源的 5G 芯片與鋰離子電池被視為忽略其空間梯度但具有同等熱物性質(zhì)的均質(zhì)體，熱物性參數(shù)為各部件加權(quán)平均值，忽略相變前后材料的熱物性變化，各部分材料參數(shù)如表1 所示。

表1材料熱物性參數(shù)

為保證數(shù)值模擬的準確性和計算效率，分別驗證 5G 芯片與鋰離子電池三維散熱模型的網(wǎng)格獨立性。該三維散熱模型的重疊界面較多，故網(wǎng)格以 Y 方向截面呈現(xiàn)，如圖 3 所示。將 5G 芯片散熱結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，并設置溫度監(jiān)測點 1，選取三組網(wǎng)格數(shù)分別為 3 872、5 364、6 826，同理將鋰離子電池散熱結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，并設置溫度監(jiān)測點 2，選取三組網(wǎng)格數(shù)分別為 288 362、360 000、453 000。在相同的生熱時間內(nèi)，5G 芯片與鋰離子電池監(jiān)測點處的溫度如表 2 所示。

圖3網(wǎng)格劃分

表2不同網(wǎng)格數(shù)下5G芯片與鋰離子電池監(jiān)測點溫度

對于 5G 芯片散熱結(jié)構(gòu)中的監(jiān)測點 1，溫度最大偏差為 0．13% ，鋰離子電池散熱結(jié)構(gòu)中監(jiān)測點2 的最大溫度偏差為 0． 24% ，根據(jù)相變界面的清晰度與計算效率，選擇 5G 芯片散熱結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)為 5 364，鋰離子電池散熱的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)為 360000，智能手機散熱結(jié)構(gòu)整體網(wǎng)格為 1 041 172。

4 結(jié)果分析

4． 1 相變材料融化過程分析

”

在上述工況下，用于智能手機散熱系統(tǒng)的石蠟/石墨和月桂酸/肉豆蔻酸在相變過程中液相區(qū)域隨時間變化趨勢如圖 4 ( a) ，( b) 所示，圖中藍色區(qū)域為固相區(qū)，紅色區(qū)域為液相區(qū)，黃綠色區(qū)域為固液共存的糊狀區(qū)。芯片與鋰離子電池的熱量通過熱傳導的方式傳遞至相變材料，并隨時間的增加達到相變溫度，處于熱源中心區(qū)域的部分最先發(fā)生融化，相變界面呈不規(guī)則環(huán)狀逐步由中心向外擴散，自然對流在一定程度上影響了擴散界面的形狀，但石蠟/石墨與月桂酸/肉豆蔻酸融化過程的相變界面基本保持對稱分布。

圖4相變材料融化過程各時刻液相分數(shù)云圖

石蠟/石墨與月桂酸/肉豆蔻酸的液相分數(shù)隨時間變化曲線如圖 5 所示，由圖中可以得出: 應用于 5G 芯片散熱系統(tǒng)的石蠟/石墨在前 1200 s 的融化率高于鋰離子電池散熱系統(tǒng)中的月桂酸/肉豆蔻酸，并在 1200 s 時，兩種相變材料的融化率均達到 80% ，由于熱源溫升結(jié)構(gòu)的差異，在 1000s 內(nèi)石蠟/石墨的融化速率大于月桂酸/肉豆蔻酸，1000 s ～ 1500 s 內(nèi)月桂酸/肉豆蔻酸的融化速率超過石蠟/石墨，1350 s 后因相變材料未融化部分逐漸遠離熱源中心，熱阻增大，兩種相變材料的融化速率緩慢減小，達到峰值。

圖5相變材料融化過程液相分數(shù)曲線

4． 2 相變冷卻效果分析

”

為研究石蠟/石墨在 5G 芯片中的冷卻散熱效果，故將石蠟/石墨相變冷卻與自然冷卻下的5G 芯片溫度進行對比，分別如圖 6( a) ，( b) 所示。

圖6不同冷卻方式下5G芯片溫度分布云圖

由圖可知，與自然冷卻相比，在 5G 芯片表面覆蓋石蠟/石墨的冷卻方式使得芯片最高溫度下降了8． 67% ，散熱效果較為明顯。抑制芯片耗散生熱的同時，使芯片處于健康工作溫度范圍。由于處于邊界的少部分石蠟/石墨并不能在短時間內(nèi)完全融化，因此相變冷卻下 5G 芯片的局部溫差比自然冷卻下高 0． 93 ℃，結(jié)合系統(tǒng)整體散熱效果，可忽略其影響。

圖 7 描述了石蠟/石墨相變冷卻和自然冷卻下 5G 芯片溫度隨時間變化的關系曲線，在芯片生熱前期，覆蓋在 5G 芯片表面的石蠟/石墨未達到相變溫度，相變材料并不會融化，但因其表面覆蓋未融化的石蠟/石墨，故此階段溫度較高于自然冷卻下的芯片溫度。800 s 時石蠟/石墨開始產(chǎn)生熔化趨勢，并吸收芯片產(chǎn)生的熱量，5G 芯片的溫升速率降低，溫度逐漸低于同時刻自然冷卻下的芯片溫度。自然冷卻下的 5G 芯片溫升速率基本保持不變，溫度持續(xù)升高。因采用質(zhì)量分數(shù)為92% 的石蠟/石墨，其物理性質(zhì)保證了 5G 芯片在高溫區(qū)域的冷卻散熱效果，而處于低溫區(qū)域時溫度略高 于自然狀態(tài)并不會影響 5G 芯片的安全性。

圖7不同冷卻方式下5G芯片溫度曲線

當以鋰離子電池為研究對象時，采用質(zhì)量配比為 64∶36 的月桂酸/肉豆蔻酸進行相變冷卻下的鋰離子電池溫度云圖如圖 8( a) 所示，自然冷卻下鋰離子電池溫度云圖如圖 8( b) 所示。從圖中可以看出: 在月桂酸/肉豆蔻酸的冷卻下，電池表面的最高溫度比自然冷卻下降低了 4． 12 ℃，下降了 10． 49% ，散熱效果較為明顯。與 5G 芯片中采用的相變介質(zhì)石蠟/石墨相比，月桂酸/肉豆蔻酸的相變溫度較低，在生熱過程中有更充分的溫度空間使其融化得更加完全，溫度更加均勻，因此鋰離子電池的局部溫差比自然冷卻下低 3． 43 ℃，對元件有效散熱的同時減小了溫差。

圖8不同冷卻方式下鋰離子電池溫度分布云圖

在鋰離子電池散熱系統(tǒng)中，月桂酸/肉豆蔻酸相變冷卻與自然冷卻下的鋰離子電池溫度隨時間變化曲線如圖 9 所示。月桂酸/肉豆蔻酸的相變溫度較低，在電池生熱前期就會產(chǎn)生融化趨勢，與自然冷卻生熱過程相比，在月桂酸/肉豆蔻酸相變冷卻下的鋰離子電池溫度更低。2000 s 內(nèi)處于自然冷卻下的鋰離子電池溫度基本呈線性上升趨勢，期間伴隨小幅度的波動，而采用月桂酸/肉豆蔻酸作為相變介質(zhì)進行冷卻的鋰離子電池在前1 000s 溫升速率緩慢上升，1 200 s 時兩種散熱方式下的鋰離子電池溫差達到最小值。1000 ～1500 s 隨著月桂酸/肉豆蔻酸融化率的不斷提高，逐漸開始抑制電池溫度上升，1500 ～ 2000 s月桂酸/肉豆蔻酸的融化率達到峰值，電池溫度趨于平穩(wěn)。

圖9不同冷卻方式下鋰離子電池溫度曲線

4． 3 復合散熱層溫度分析

”

在該散熱結(jié)構(gòu)下，兩種定型相變材料的表面均覆蓋了由銅箔和石墨烯納米碳涂層組成的復合散熱層，石蠟/石墨與月桂酸/肉豆蔻酸將 5G 芯片和鋰離子電池中的熱量吸收儲存，并通過熱傳導的方式傳遞至復合散熱層，以此降低智能手機內(nèi)部溫度。不同散熱系統(tǒng)下復合散熱層中銅箔與石墨烯納米碳涂層的溫度隨時間變化曲線如圖10 所示，因各部分元件的工作溫度范圍不同，處于 5G 芯片散熱系統(tǒng)中的復合散熱層溫度相對較高。由于復合散熱層的組成和布置結(jié)構(gòu)，在 5G芯片與鋰離子電池散熱系統(tǒng)中銅箔的溫度均略高于石墨烯納米碳涂層，2 000 s 時各散熱系統(tǒng)中銅箔與石墨烯納米碳涂層的溫差達到峰值。經(jīng)過復合散熱層的協(xié)助散熱，5G 芯片與鋰離子電池傳遞至殼體外側(cè)的溫度分別比原來下降了 25． 81% 和19． 39% 。

圖10不同散熱系統(tǒng)下復合散熱層溫度曲線

5 結(jié)論

本文分別以質(zhì)量分數(shù)為 92% 的石蠟/石墨和質(zhì)量配比為 64∶36 的月桂酸/肉豆蔻酸作為 5G芯片與鋰離子電池的冷卻散熱介質(zhì)，并配合由銅箔、石墨烯納米碳涂層的復合散熱層構(gòu)成智能手機散熱系統(tǒng)。采用 Fluent 對兩種不同的相變介質(zhì)進行融化過程分析，以及各部分元件溫度分析，研究了相變材料融化過程對元件溫度的影響，并對復合散熱層的散熱效果進行了討論。通過分析不同時刻的液相分數(shù)與溫度，得出結(jié)論如下:

( 1) 質(zhì)量分數(shù)為 92% 的石蠟/石墨與質(zhì)量配比為 64∶36 的月桂酸/肉豆蔻酸在相變過程的熔化界面一定程度上受自然對流的影響;( 2) 隨著散熱系統(tǒng)中相變介質(zhì)熔化率的不斷提高，對抑制 5G 芯片與鋰離子電池的升溫效果越明顯;( 3) 在石蠟/石墨與月桂酸/肉豆蔻酸達到相變溫度之前，5G 芯片和鋰離子電池溫度與自然冷卻下差別不大，與自然冷卻模式下的最大溫差出現(xiàn)在相變介質(zhì)熔化后的 2 000 s;( 4) 復合散熱層有效降低了智能手機內(nèi)部溫度與傳遞至外部殼體的溫度。

來源：低溫/制冷技術(shù)

作者：劉家良，趙知辛，黃鳴遠，陳小龍

陜西理工大學機械工程學院