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5G“火热”背后,石墨烯散热行业的机遇

5G“火热”背后,石墨烯散热行业的机遇

  • 分类:行业洞察
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2020-09-11
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5G“火热”背后,石墨烯散热行业的机遇

【概要描述】在智能手机领域,5G手机朝着高性能、高屏幕素质、高集成度、轻薄化等方向不断升级,发热量相对于4G时代大幅增加,散热需求也随之大幅提升。在基站领域,根据中通服咨询设计研究院数据,5G基站单站功耗是4G基站单站的2~3倍,功耗增加主要来自于AAU,因此在5G基站的推广过程中亟需更节能的器件及更有效的散热。

4G时代手机发热问题就已备受关注。在移动互联时代,用户对于手机的持续使用时间提高,且王者荣耀、和平精英等游戏对于手机处理器性能的要求更高,导致手机出现发烫的问题,在一定程度上影响了用户的使用体验。以iPhoneX为例,根据天铂实验室测试,在正常待机情况下,iPhoneX温度为32度左右,与室温接近,但在运行半小时的吃鸡游戏后,手机温度上升至41.1度,高温区域主要集中在芯片位置,散热系统难以满足芯片的散热要求。随着手机温度的提升,手机芯片会通过降低显示刷新频率的方式进行自我保护,导致手机性能大幅下降甚至出现卡顿现象。



5G手机在拥有更强性能、更快速度的同时,也带来了功耗增加的弊端,对散热的要求进一步提高。智能手机的功耗主要来源于处理器、屏幕、射频前端、摄像头模组、电池及充电等模块,在2020年5月26日小米新品发布会中,Redmi品牌产品总监王腾表示5G功耗比4G手机高20%。5G时代智能手机进行了全方位的升级,5G旗舰手机的处理器性能大幅提升、采用高屏幕分辨率及高屏幕刷新率、射频前端模组化及复杂程度提升、摄像头模组升级、电池容量及充电功率增加,在此背景下,5G手机对散热的要求进一步提高。

5G手机功耗增加,均热板+石墨/石墨烯散热有望成为主流

5G手机对于散热的要求需要通过新型散热材料、立体散热设计实现全面提升。单一的散热材料难以满足5G手机的散热需求,均热板+石墨/石墨烯的散热组合将成为5G手机的主流选择,其中均热板、石墨烯材料的市场规模有望实现成倍的增长。

均热板作为5G手机散热的主力,实现了从“线”到“面”的升级。VC均热板散热在原理上与热管散热类似,是利用水的相变进行循环散热,区别在于热管只有单一方向的“线性”有效导热能力,而VC均热板可从“线”到“面”将热量向四面八方传递,有效增强散热效率。据PConline数据,热管散热的导热系数为5000–8000W/(m×k),而均热板拥有比热管更大的腔体空间,可容纳更多动作流体,将导热系数提升至20000W/(m×k)以上。同时VC均热板散热面积更大,可覆盖更多热源区域实现整体散热;并且VC均热板更加轻薄,更加符合目前手机轻薄化、空间利用最大化的发展趋势。



2020年各品牌旗舰5G手机选择以VC均热板为主、石墨及石墨烯等为辅的散热组合。华为于2019年7月发布的首款5G手机Mate20X(5G)采用HUAWEISuperCool超强散热系统,是首款采用VC均热板散热、石墨烯散热的智能手机。随后三星的GalaxyNote10+(5G)、小米的MI9Pro、VIVO的NEX3(5G)等手机同样使用了VC均热板散热。而2020年2月份发布的小米10系列手机采用了VC均热板+石墨烯+6层石墨的“三明治”散热系统,大大提升了整机散热能力;三星GalaxyS20Ultra采用VC均热板+石墨+高导碳纤维垫片的散热方案。2020年3月发布的华为P40pro手机采用VC均热板+3D石墨烯的散热方案;VIVONEX3s、oppoFindX2采用VC均热板散热技术。

石墨、石墨烯在5G手机散热系统中起到辅助散热的作用。石墨散热膜是一种纳米先进复合材料,适应任何表面均匀导热,具有EMI电磁屏蔽效果。苹果于2010年发布的iPhone4为首款使用石墨散热膜的手机,2011年发布的小米1采用了大面积的石墨散热膜。石墨散热膜由此成为当时智能手机采用的主要散热材料,三星、华为、OPPO、VIVO、中兴等厂商陆续导入。在热管、均热板、石墨烯等散热技术的冲击下,石墨散热膜在智能手机尤其是5G手机的散热系统中的重要性在逐渐减弱,例如华为P40系列手机采用VC均热板+3D石墨烯散热组合,小米10系列手机采用VC均热板+石墨烯+石墨的“三明治”散热组合,但石墨散热膜仍以辅助散热的形式应用于这两个系列的手机中。

基于石墨烯具有导热性能好、快速散热的优点,5G手机中石墨烯导热膜的渗透率将逐步提升,市场规模有望实现高速增长。2020年华为在P40系列手机中采用石墨烯导热膜;小米在小米10系列、RedmiK30Pro手机中采用石墨烯导热膜。

富烯科技石墨烯导热膜应用效果



手机散热方案兴起,热管/均温板散热技术突破传统导热金属材料不能满足高导热效率要求。均热板+石墨/石墨烯的散热方案将会很好的满足5G手机对散热的要求。

目前虽然石墨烯产品很多,但大多都是商家噱头,业内尚无大规模成功的应用案例,石墨烯手机散热方案给石墨烯产品找到了一个很好的落地点。从整个行业发展趋势上看,石墨烯产业有很大的前景和增长潜力,但作为一个全新的朝阳行业,石墨烯产业发展还需要更多的时间积累,只有在技术和成本领域有重大突破,才能带来颠覆性变革。

 

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在智能手机领域,5G手机朝着高性能、高屏幕素质、高集成度、轻薄化等方向不断升级,发热量相对于4G时代大幅增加,散热需求也随之大幅提升。在基站领域,根据中通服咨询设计研究院数据,5G基站单站功耗是4G基站单站的2~3倍,功耗增加主要来自于AAU,因此在5G基站的推广过程中亟需更节能的器件及更有效的散热。

4G时代手机发热问题就已备受关注。在移动互联时代,用户对于手机的持续使用时间提高,且王者荣耀、和平精英等游戏对于手机处理器性能的要求更高,导致手机出现发烫的问题,在一定程度上影响了用户的使用体验。以iPhoneX为例,根据天铂实验室测试,在正常待机情况下,iPhoneX温度为32度左右,与室温接近,但在运行半小时的吃鸡游戏后,手机温度上升至41.1度,高温区域主要集中在芯片位置,散热系统难以满足芯片的散热要求。随着手机温度的提升,手机芯片会通过降低显示刷新频率的方式进行自我保护,导致手机性能大幅下降甚至出现卡顿现象。

5G手机在拥有更强性能、更快速度的同时,也带来了功耗增加的弊端,对散热的要求进一步提高。智能手机的功耗主要来源于处理器、屏幕、射频前端、摄像头模组、电池及充电等模块,在2020年5月26日小米新品发布会中,Redmi品牌产品总监王腾表示5G功耗比4G手机高20%。5G时代智能手机进行了全方位的升级,5G旗舰手机的处理器性能大幅提升、采用高屏幕分辨率及高屏幕刷新率、射频前端模组化及复杂程度提升、摄像头模组升级、电池容量及充电功率增加,在此背景下,5G手机对散热的要求进一步提高。

5G手机功耗增加,均热板+石墨/石墨烯散热有望成为主流

5G手机对于散热的要求需要通过新型散热材料、立体散热设计实现全面提升。单一的散热材料难以满足5G手机的散热需求,均热板+石墨/石墨烯的散热组合将成为5G手机的主流选择,其中均热板、石墨烯材料的市场规模有望实现成倍的增长。

均热板作为5G手机散热的主力,实现了从“线”到“面”的升级。VC均热板散热在原理上与热管散热类似,是利用水的相变进行循环散热,区别在于热管只有单一方向的“线性”有效导热能力,而VC均热板可从“线”到“面”将热量向四面八方传递,有效增强散热效率。据PConline数据,热管散热的导热系数为5000–8000W/(m×k),而均热板拥有比热管更大的腔体空间,可容纳更多动作流体,将导热系数提升至20000W/(m×k)以上。同时VC均热板散热面积更大,可覆盖更多热源区域实现整体散热;并且VC均热板更加轻薄,更加符合目前手机轻薄化、空间利用最大化的发展趋势。

2020年各品牌旗舰5G手机选择以VC均热板为主、石墨及石墨烯等为辅的散热组合。华为于2019年7月发布的首款5G手机Mate20X(5G)采用HUAWEISuperCool超强散热系统,是首款采用VC均热板散热、石墨烯散热的智能手机。随后三星的GalaxyNote10+(5G)、小米的MI9Pro、VIVO的NEX3(5G)等手机同样使用了VC均热板散热。而2020年2月份发布的小米10系列手机采用了VC均热板+石墨烯+6层石墨的“三明治”散热系统,大大提升了整机散热能力;三星GalaxyS20Ultra采用VC均热板+石墨+高导碳纤维垫片的散热方案。2020年3月发布的华为P40pro手机采用VC均热板+3D石墨烯的散热方案;VIVONEX3s、oppoFindX2采用VC均热板散热技术。

石墨、石墨烯在5G手机散热系统中起到辅助散热的作用。石墨散热膜是一种纳米先进复合材料,适应任何表面均匀导热,具有EMI电磁屏蔽效果。苹果于2010年发布的iPhone4为首款使用石墨散热膜的手机,2011年发布的小米1采用了大面积的石墨散热膜。石墨散热膜由此成为当时智能手机采用的主要散热材料,三星、华为、OPPO、VIVO、中兴等厂商陆续导入。在热管、均热板、石墨烯等散热技术的冲击下,石墨散热膜在智能手机尤其是5G手机的散热系统中的重要性在逐渐减弱,例如华为P40系列手机采用VC均热板+3D石墨烯散热组合,小米10系列手机采用VC均热板+石墨烯+石墨的“三明治”散热组合,但石墨散热膜仍以辅助散热的形式应用于这两个系列的手机中。

基于石墨烯具有导热性能好、快速散热的优点,5G手机中石墨烯导热膜的渗透率将逐步提升,市场规模有望实现高速增长。2020年华为在P40系列手机中采用石墨烯导热膜;小米在小米10系列、RedmiK30Pro手机中采用石墨烯导热膜。

富烯科技石墨烯导热膜应用效果

手机散热方案兴起,热管/均温板散热技术突破传统导热金属材料不能满足高导热效率要求。均热板+石墨/石墨烯的散热方案将会很好的满足5G手机对散热的要求。

目前虽然石墨烯产品很多,但大多都是商家噱头,业内尚无大规模成功的应用案例,石墨烯手机散热方案给石墨烯产品找到了一个很好的落地点。从整个行业发展趋势上看,石墨烯产业有很大的前景和增长潜力,但作为一个全新的朝阳行业,石墨烯产业发展还需要更多的时间积累,只有在技术和成本领域有重大突破,才能带来颠覆性变革。

 

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