2021年2月8日 星期一

《汪汪老師的5G投資探索之旅》第03篇—5G手機(散熱技術方案)

上回文章,愛麗絲聯想到,5G手機晶片處理能力越來越強大,內部元件密度和集成度也相對提高,再加上還有防水功能的設計,這些都不易散熱。那要如何解決散熱的問題呢?例如,近期小米11旗艦機,搭載高通S888處理器,在實測遊戲20分鐘後,出現了48度的高溫,被網友戲稱為「翻車」事件。

雖然上述「翻車」事件,被歸咎於三星5奈米製程不如台積電,但根據國際安全標準的規定,手機表面的溫度上限為48度,超過則會導致處理器降頻和電池損害的問題,所以有關如何更有效的散熱,是必須面對的課題。接下來,將會說明一些散熱原理、目前採用的技術以及相關的廠商。

首先,我們來談談散熱原理,在熱力學中有提到熱量傳遞主要有三種方式,如下:

  1. 熱傳導:熱經由物質上的接處,由高溫的物體將熱傳遞給低溫的物體,而固體是主要的傳熱方式。
  2. 熱對流:流體受熱上升,遇冷下降是對流的原理,目的是藉於內部流動,將熱量平均傳播於流體中。氣體及液體是主要的傳熱方式。 
  3. 熱輻射:物體透過輻射向外發射能量,無須依賴介質(如電磁波)。像是太陽的熱能穿過真空的宇宙傳遞到地球。


目前「熱傳導」和「熱對流」已實際運用到產品中,例如處理器(CPU)底座與散熱片直接接觸的方式帶走熱量,就屬於「熱傳導」。而風扇帶動氣體流動,就屬「熱對流」。如下圖:


在散熱產品的種類,還可分為兩種方式。如下:

  1. 主動式:透過供電進行強制散熱,例如風扇等。特點是效率高,但需要其它能源的輔助。
  2. 被動式:僅用傳導或對流的方式,對發熱體來進行散熱,例如散熱片等。


目前我們比較清楚知道的是,桌上型和筆記型電腦是同時採用以上兩種方式,但手機因為體積較小,所以只能採用被動散熱方式。而傳統手機的「散熱技術方案」,是以石墨片和導熱凝膠為主,其介紹如下:


石墨片(散熱膜)

石墨是一種良好的導熱材料,其導熱性超過銅、鋁…等金屬。由於導熱性能高,它可以很快將熱源的熱量傳遞至石墨片(膜)的各個位置。簡單來說,它可使得溫度均勻化,間接起到了散熱作用。例如,原來手機上幾個部分的溫度是50、40、30度,若加上石墨片以後可能變成40、40、40度。如下圖:


石墨片(膜)目前可分成天然、人工和納米碳(石墨同素異構體)三種,因為人工石墨,最薄可做到0.01mm,再加上價格便宜,所以目前最適合用在手機端。其相關產業如下:


人工石墨是由材料聚醯亞胺(PI膜)經過碳化和石墨化所製成,目前主要領導廠商為美國杜邦、韓國SKC Kolon、日本Kaneka、宇部興產。而台灣有從事PI膜相關的廠商是達邁(3645)。

石墨片(膜)的領導廠商則為日本松下、Kaneka、美國Graftech。在台廠方面,新聞有提到奇鋐(3017)有打進蘋果iPhone供應鏈,成為繼松下、Kaneka兩家日商外,蘋果石墨片第三大來源。


導熱凝膠(Thermal Interface Materials,TIM)

從前有組裝過桌機的人就知道,在裝CPU散熱器時,會塗抹一層矽脂,其作用是讓CPU的熱量能夠更快的傳遞到散熱器上。而這樣的技術也可應用在手機處理器當中,所以塗抹了導熱凝膠(又稱導熱介面材料TIM),會比只貼石墨片(膜)的效果更好,熱傳導會更加迅速。相關廠商如下:


在國際市場上,領導廠商為美國Chomerics、Laird和德國Bergquist。雖然手機TIM的用量不大,但價格較石墨片(膜)更高。


熱導管(Heatpipe,HP)和均熱板(Vapor Chamber ,VC)

熱導管和均熱板的散熱技術,原本是應用於電腦、伺服器等領域,因為導熱係數較石墨材料有10倍以上提升,於是近年來開始使用在高端手機上。

熱導管是指中空、兩頭封閉的銅管所構成,以液體填充中空的空間中。使用方式是將熱導管的頂部塗抹導熱凝膠貼合在熱源上。當熱源產生的熱量時,熱導管中的液體就吸收熱量氣化,這些氣體會通過熱導管傳到散熱區域,再進一步傳導到石墨片均勻散開。之後氣體降溫凝結成液體後,再次回到熱源部分,周而復始的進行熱量移轉。

均熱板的原理也和熱導管類似,差別是熱導管只有線性導熱能力,而均熱板可以將熱量向四面八方傳遞,所以散熱性能比熱導管提高20%~30%,但同樣的價格也貴上許多。上述這兩種相關的領導廠商,目前主要都是台廠,如下:


由於台灣散熱模組廠商原本就在電腦、伺服器等領域耕耘多年,所以當這些技術獲得手機採用時,台灣廠商就占據了大部分市場份額。像是雙鴻(3324)、超眾(6230)、泰碩(3338)、奇鋐(3017)、業強(6124)、力致(3483)…等。其中在手機的散熱模組,雙鴻(3324)的規模為最大。

由於均熱板的散熱性能最好,是目前搭配石墨片(膜)和導熱凝膠的最佳的方案,所以之後5G的高端手機將會擴大採用。尤其是iPhone目前尚未採用均熱板(還無法達到蘋果的要求),但將來一旦獲得蘋果的認可,被選中的供應廠商,一定會帶來龐大的商機。


石墨烯

石墨烯簡單來說,當把石墨片一層層剝離到只有一個碳原子厚度的單層後,就是石墨烯。它是目前為止導熱係數最高的碳材料,其缺點是生產困難和成本高。但近期中國廠商已經成功開發出來,並已導入小米和華為新機中。

這對於一直想要技術自主的中國來說,石墨烯可能會是個機會,尤其將來透過中國政府的補貼,價格必定更具競爭力。之後會不會影響到原石墨片(膜)的市場,則有待觀察。

這時愛麗絲的手機響起,原來是她朋友打來的,說已經訂好了KTV的包廂,為了替她慶生。忽然間愛麗絲想到,手機這端的訊號是從基地台傳來的,那5G基地台和4G有何不同呢?留待下文分曉——5G基地台(和4G的不同之處)《請按我》