智慧型手機散熱設計：材料世界網

可攜式電子產品市場趨勢及散熱問題
可攜式裝置的需求近年來快速成長，智慧型手機及平板電腦的數量遠超過桌上型電腦及筆記型電腦網路裝置。而智慧型手機的發展更以快速的步伐成長，佔有全球手機市場14%。根據IDC的市場預估，2014年智慧型手機銷售量將首次超過10億台，如圖一所示。此成長也連帶帶動高速瀏覽器、複雜及專業的數據管理，以及3G/4G網路等技術發展，而使得其功能及速率上不斷提升。

圖一、全球網路裝置出貨量

智慧型手機散熱設計
1. 智慧型手機結構與散熱
以Apple iPhone 5及Samsung Galaxy S3兩款智慧型手機為例，比較兩者在散熱設計及材質應用上不同之處。iPhone 5 厚度只有7.6 mm，重量只有122克，Samsung GalaxyS3厚度8.6 mm，重量133克。主要組件包括螢幕及後方的觸控面板、後蓋、電池及電路板，電路板及電池位於觸控面板後方固定於後蓋上，由於螢幕會受溫度影響，影響顯示品質，一般智慧型手機的設計，其電路板的元件上方並不接觸螢幕，螢幕後方會用平面導熱良好的石墨片(Graphite)作為散熱及隔熱。兩者設計的差異在於iPhone5的電池較長，與電路板左右並排（圖五），而Samsung Galaxy S3的電池位於中間，基板從下方延續到上方（圖六）。智慧型手機組件用於熱分析的材料性能如表一所示，包括螢幕及背板、塑膠模塑材料、PCB、石墨片、金屬及電池等。其中PCB、電池、螢幕等元件由於結構較複雜，是採用等效(Equivalent)方式分析。

2. 散熱路徑設計分析
iPhone 5的散熱路徑如圖九所示，電路板上的晶片以傳導方式由界面材料、EMI遮蔽金屬、外圍界面材料層傳到後蓋鋁殼。再由鋁殼以對流及輻射方式傳到環境。由於須避免上方晶片發熱影響螢幕顯示品質，藉由熱從下方傳到電路板再往下傳的散熱路徑，對散熱來說是有犧牲的，因此需做散熱的分析以確保元
件性能。

3. 元件封裝趨勢及散熱問題
智慧型手機的運算核心是CPU及記憶體，由於運算速率提升及系統體積縮小的限制，封裝也朝更有效率的方式設計（如圖十一所示）。晶片之間的連接需要更接近，導線也需要更細微，以提升傳輸的能力，CPU及記憶體封裝在一起的Off-chip設計可以得到較高的速率及頻寬，其成本較堆疊封裝低，由於散熱面積較大，散熱問題也較少，目前平價智慧型手機多採此種設計。而為了得到較高的效能，需採用堆疊封裝。

智慧型手機散熱發展方向
智慧型手機不斷朝功能提升演進，散熱問題逐漸成為產品開發瓶頸，以下為幾個值得注意的重要發展方向。
(1)CFD散熱分析在可攜式裝置中越來越重要，尤其是結構及材質對散熱的影響，表面溫度及晶片溫度的預測，以及元件位置對散熱的影響等。可透過散熱模擬縮短設計時間並提升產品效能，圖十三為手機系統熱流分析結果。由於功率突增所造成的元件過熱及熱點移動等問題也可以透過……以上內容為重點摘錄，如欲詳全文請見原文。

圖十五、薄形熱管及手機應用