導語：5G時代巨大數據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)網等領域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

本產品是國內首創(chuàng)自主研發(fā)的高質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、高導熱、高柔性、低介電系數、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當前我國電子封裝及熱管理領域面臨的“卡脖子”問題，擁有國際先進的熱管理TIM解決方案及相關材料生產技術，是國內低維材料技術領域頂尖的創(chuàng)新型高科技產品。

瞬態(tài)平面熱源技術(Transient Plane Source Method, TPS 測量導熱系數的一種方法

一

定義

瞬態(tài)平面熱源技術(Transient Plane Source Method, TPS)用于測量導熱系數的一種方法，是由瑞典Chalmer理工大學的Silas Gustafsson教授在熱線法的基礎上發(fā)展起來的一項專利技術。

在研究材料時能夠同時測量熱導率、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，在大多數應用中被稱之為Hot Disk熱常數分析儀。瞬態(tài)平面熱源技術在國內正在被越來越多地研究人員應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中階躍加熱的圓盤形熱源產生的瞬態(tài)溫度響應。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——溫度和電阻的關系呈線性關系，即通過了解電阻的變化可以知道熱量的損失，從而反映樣品的導熱性能。Hotdisk探頭采用導電金屬鎳經刻蝕處理后形成的連續(xù)雙螺旋結構的薄片，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，產生一定的溫度上升，產生的熱量同時向探頭兩側的樣品進行擴散，熱擴散的速度依賴于材料的熱傳導特性。通過記錄溫度與探頭的響應時間，由數學模型可以直接得到導熱系數和熱擴散率，兩者的比值得到體積比熱。

初始測試時，在Kapton涂層上會產生很小的溫度下降，經過很短的，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（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：被測樣品導熱系數，即我們要求的值；

D(τ)：無因此時間函數。

假設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。通過反復變換特征時間θ擬合，使R(t)對D(τ)的得直線相關性達到最大，此時導熱系數便可以由直線的斜率K計算得出。

三

HOTDISK設備TPS測試

Hot Disk技術

現有的瞬態(tài)平面熱源(TPS)方法可以在一次測量中快速、準確、無損地檢測大多數材料的導熱系數、熱擴散系數和比熱容。導熱系數和熱擴散系數是直接測定的，而比熱是通過前兩個結果計算得出。

TPS方法的一個關鍵是它是絕對的方法，不需要重復校準或使用標準樣品。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代移動網絡。5G是繼之前的標準（1G、2G、3G、4G 網絡）之后的最新全球無線標準，并為數據密集型應用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G有助于建立一個新的、更強大的網絡，該網絡能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯(lián)網”的設備爆炸式增長的連接——該網絡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備，包括各種家用物品和機器。

公認的5G優(yōu)勢是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網絡

?更高的峰值數據速度（多Gbps）

?超低延遲

與前幾代網絡不同，5G網絡利用在26GHz 至40GHz范圍內運行的高頻波長（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用為中心，滿足以人為中心的多媒體內容、服務和數據接入需求。增強型移動寬帶用例將包括全新的應用領域、性能提升的需求和日益無縫的用戶體驗，超越現有移動寬帶應用所支持的水平。

二

毫米波是關鍵技術

毫米波通信是未來無線移動通信重要發(fā)展方向之一，目前已經在大規(guī)模天線技術、低比特量化ADC、低復雜度信道估計技術、功放非線性失真等關鍵技術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絡提出新的長距離、高移動、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應用場景的需求，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)的基礎理論和關鍵技術研究，已經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，配合各種多址復用技術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；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網絡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)廣泛應用于國民經濟以及國防等各個領域，控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲與轉換。先進的熱管理材料構成了熱管理系統(tǒng)的物質基礎，而熱傳導率則是所有熱管理材料的核心技術指標。

導熱率，又稱導熱系數，反映物質的熱傳導能力，按傅立葉定律，其定義為單位溫度梯度（在1m長度內溫度降低1K）在單位時間內經單位導熱面所傳遞的熱量。熱導率大，表示物體是優(yōu)良的熱導體；而熱導率小的是熱的不良導體或為熱絕緣體。

5G手機以及硬件終端產品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，電子設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重威脅。要解決這個問題，散熱材料必須在導熱性、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，一代手機形態(tài)，一代熱管理方案。通信技術的演進，會持續(xù)引發(fā)移動互聯(lián)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(fā)熱量迅速增加，對手機可靠性和移動互聯(lián)網發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。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(xù)增長。5G手機散熱的主流方案，高導熱材料、并加速向超薄化、結構簡單化和低成本方向發(fā)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，TIM市場增長潛力巨大。

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(fā)展。由于集成度、功率密度和組裝密度等指標持續(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(xù)演進，散熱管理已經成為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(fā)熱的問題也越來越嚴重，手機發(fā)燙、卡頓和死機時有發(fā)生，嚴重時甚至會導致主板燒壞乃至爆炸。

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(fā)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(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(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(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(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(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(huán)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

電子器件散熱過程示意圖

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

導熱系數和厚度是評估散熱材料的核心指標。傳統(tǒng)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(xù)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出去。導熱凝膠將處理器附近的熱能傳導至VC，并通過VC內的液體進行熱傳導和降溫。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

三

氮化硼膜材特點：高導熱、低介電、絕緣、透波、抗電壓、柔性

六方氮化硼（h-BN）這種二維結構材料，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體。與石墨烯不同的是，h-BN的導熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術層面上講，一個聲子即是一組原子中的一個準粒子）。

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相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網狀層面，互相重疊，構成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數兩者也頗為相近。