導(dǎo)語：5G時代巨大數(shù)據(jù)流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時，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)展起來的一項專利技術(shù)。

在研究材料時能夠同時測量熱導(dǎo)率、熱擴散率以及單位體積的熱容。這種方法采用一個瞬間熱平面探頭，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試。

二

原理

瞬態(tài)平面熱源法測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平面的探頭，同時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)保護層，厚度只有0．025mm，它令探頭具有一定的機械強度并保持與樣品之間的電絕緣性。在測試過程中，探頭被放置于中間進行測試。電流通過鎳時，產(chǎn)生一定的溫度上升，產(chǎn)生的熱量同時向探頭兩側(cè)的樣品進行擴散，熱擴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)時間，由數(shù)學(xué)模型可以直接得到導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散率，兩者的比值得到體積比熱。

初始測試時，在Kapton涂層上會產(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：薄膜保護層中的溫差（由于保護層非常薄，在很短時間內(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：被測樣品導(dǎo)熱系數(shù)，即我們要求的值；

D(τ)：無因此時間函數(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)

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

三

HOTDISK設(shè)備TPS測試

Hot Disk技術(shù)

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

TPS方法的一個關(guān)鍵是它是絕對的方法，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試，每件僅需要一個適用于Hot Disk雙螺旋傳感器的平面。利用Hot Disk熱導(dǎo)儀，樣品可以按原樣進行測試，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有助于建立一個新的、更強大的網(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，還可以連接一系列新設(shè)備，包括各種家用物品和機器。

公認(rèn)的5G優(yōu)勢是：

?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部署最初可能會以增強型移動寬帶應(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。增強型移動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，超越現(xiàn)有移動寬帶應(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)上有了明顯研究進展。但是隨著新一代無線通信對無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)提出新的長距離、高移動、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應(yīng)用場景的需求，針對毫米波無線通信的理論研究與系統(tǒng)設(shè)計面臨重大挑戰(zhàn)，開展面向長距離、高移動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通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優(yōu)勢：毫米波由于其頻率高、波長短，具有如下特點：

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，適合短距離點對點通信；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：毫米波也有一個主要缺點，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，對材料非常敏感。這也是為什么5G網(wǎng)絡(luò)將會采用小基站的方式來加強傳統(tǒng)的蜂窩塔。

什么是TIM熱管理?

定義

熱管理？顧名思義，就是對“熱“進行管理，英文是：Thermal Management。熱管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟以及國防等各個領(lǐng)域，控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲與轉(zhuǎn)換。先進的熱管理材料構(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)體或為熱絕緣體。

5G手機以及硬件終端產(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。要解決這個問題，散熱材料必須在導(dǎo)熱性、厚度、靈活性和堅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”

一代通信技術(shù)，一代手機形態(tài)，一代熱管理方案。通信技術(shù)的演進，會持續(xù)引發(fā)移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(fā)熱量迅速增加，對手機可靠性和移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從4G時代進入5G時代，智能手機芯片性能、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，手機散熱壓力持續(xù)增長。5G手機散熱的主流方案，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)迭代正在加速進行。未來隨著5G終端產(chǎn)品進一步放量，TIM市場增長潛力巨大。

2020年，5G技術(shù)邁向全面普及，消費電子產(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時代電子器件在性能不斷提升的同時，工作功耗和發(fā)熱量急遽升高。據(jù)統(tǒng)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(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，散熱管理已經(jīng)成為5G時代電子器件的“硬需求”。

（一）智能手機功耗持續(xù)提升，散熱需求水漲船高4G時代，智能手機數(shù)據(jù)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(yīng)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(fā)熱的問題也越來越嚴(yán)重，手機發(fā)燙、卡頓和死機時有發(fā)生，嚴(yán)重時甚至?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、信號收發(fā)器和基帶處理器。隨著消費電子產(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；

（3）內(nèi)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(shù)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(xiàn)為以下幾方面：（1）5G手機射頻前端支持的頻段數(shù)量大幅增加，需采用Massive MIMO技術(shù)以增強信號接收能力，天線數(shù)量和射頻器件數(shù)量遠(yuǎn)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(fā)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?nèi)?，手機機身材質(zhì)逐漸向陶瓷和聚合物轉(zhuǎn)變，加之5G手機越來越緊湊，導(dǎo)致散熱能力越來越弱。（二）5G來襲發(fā)熱量劇增，散熱需求進一步凸顯通信制式及手機支持頻率

表2 射頻前端價值對比測量

此外，5G手機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，手機內(nèi)部功耗相應(yīng)增加；由于5G覆蓋范圍不足，導(dǎo)致手機頻繁啟動5G信號搜索功能，發(fā)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(huán)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(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散熱（降低手機自發(fā)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(fā)熱體無關(guān)的動力元件強制散熱，一般應(yīng)用于高功率密度且體積相對較大的電子設(shè)備，如臺式機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，是一種沒有動力元件參與的散熱方式，廣泛應(yīng)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(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)和厚度是評估散熱材料的核心指標(biāo)。傳統(tǒng)手機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(xù)取得突破，開始切入到消費電子散熱應(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)的液體進行熱傳導(dǎo)和降溫。中框及電池蓋均覆蓋了3層石墨片，進一步加強散熱。

OPPOReno 3 Pro散熱模組示意圖

二

熱管/均熱板解決方案優(yōu)勢顯著，超薄均熱板技術(shù)迭代進一步加速

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，進一步實現(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：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，一個聲子即是一組原子中的一個準(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。而其中的缺點之一，尤其是在對于組裝在基底上的層狀材料來說，熱量在其中某個方向上沿著傳導(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?！?/span>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。