智慧型手機及可攜式裝置散熱元件技術

 

刊登日期:2016/10/5
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智慧型手機是目前全球產值最高及最重要的資訊產品。隨著智慧手機輕薄及功能提升之趨勢,發熱問題成為技術挑戰。目前多數智慧型手機採用石墨片及熱界面材料做為主要散熱元件,但由於手機功率提升,發熱增加,各研究單位及廠商已不斷投入先進散熱元件及材料技術研發。本文將介紹智慧手機及可攜式裝置散熱設計評估及最新散熱技術之應用效能。
 
手機散熱技術
根 據市場研究機構 Gartner預測,2016年全球智慧型手機出貨量達到 15億支的水準,但成長率下滑至 7%,儘管如此,仍是目前全球產值最高的資訊產品。隨著手機輕薄及功能提升之趨勢,發熱問題已成為技術的挑戰。

目前多數智慧型手機採用石墨片作為主要散熱元件,藉由高平面方向熱傳導率及垂直方向較低熱傳導率的特點,將 CPU 等熱源以傳導方式擴散。由於手機功率持續提升,各研究單位及廠商也不斷投入先進散熱材料研發。對智慧型手機而言,被動散熱方式仍是主要的散熱對策,因此,二相流應用的各種熱管技術成為重要發展方向,而熱界面材料也結合奈米技術提升其性能。以下將介紹智慧型手機散熱技術發展及應用。




圖三、智慧手機CTS值模擬

超薄型熱管
由於石墨片已逐漸無法滿足手機功率增加需求,因此開發散熱能力更強的散熱元件成為新的方向。厚度低於 1 mm 的超薄型熱管技術逐漸發展成熟,由於散熱能力大於石墨,因此需求日益增加。圖四是日本 NEC 及 SONY 將超薄熱管成功應用於智慧型手機。超薄熱管最早由日本 Furukawa 成功開發,目前台灣散熱模組廠超眾、奇鋐及雙鴻等公司都已投入生產。近來日本及大陸市場需求增加,三星也將採用熱管進行散熱設計,因此價格也下降,0.4 mm 厚度的元件由 1美金降至 0.5至 0.4美元。




圖五、熱管厚度和最大熱傳關係

 
微型迴路型熱管
迴路型熱管作用原理和熱管的差異是毛細結構集中在蒸發段,因此模組較無方向性。日本富士電機發展蒸發段厚度只有 0.6 mm,及蒸氣管路只有 1 mm的微型迴路型熱管,應用於手機等可攜式裝置,如圖七所示。其利用銅板化學蝕刻及擴散接合方式製作,藉由蒸發及冷凝管路的壓降最佳化設計,熱源的熱可成功傳遞。在水平操作下,蒸發器及冷凝器之間的熱阻 0.8 ˚C/W 時,蒸發器熱傳量 5W,溫度 50.5˚C。微型迴路型熱管具有 15W 的熱負載傳熱能力。
 
熱接地板
熱接地板(TGP)是一種平面型熱管,具有奈米毛細結構,外層可為聚合物材料鍍上 CTE 與熱源接近材料。結合均溫板及具有高熱傳導率、薄型固體熱導體的優點。除了溫度均勻及熱負載溫度變化小之外,具有被動散熱、熱靠度、重量輕及低成本的特點。 由於表面可鍍上 CTE 和半導體接近的陶瓷等材料,使得較傳統均溫板具有優勢,如圖九所示。
 
熱界面材料研發
熱界面材料(TIM)必須具有①高熱傳導率;②和兩固體表面必須有良好的熱接觸;③機構上易於安裝在接觸表面。美國普渡大學利用金屬網設計直接聯接兩表面,金屬網可使熱容易由一端傳到另一端。網格表面則設想成小突起結構的可撓式陣列,和裝置形成良好接觸,如圖十二(a)。和傳統TIM相比 ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:劉君愷 /工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」358期,更多資料請見下方附檔。


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