市場控—看華爲如何玩轉石墨烯!

石墨烯具有優異的熱傳導特性,且熱輻射係數超過0.95,因此無論就導熱、散熱或熱管理的角度來看,從電子元件、零組件到LED,石墨烯若能提供符合設計需求的產品型態,則可有效改善現行散熱產品的效能。

科技發展日新月異,現今電子設備趨向輕量薄型化,內部電子元件則越趨向於精密複雜,不僅內部元件散熱難度隨之提高,還須兼顧元件之間的電氣特性以避免短路,尤其發熱問題關係到產品的壽命以及其發揮效能所需的能量多寡。有鑑於此,輕薄短小的電子產品亟需更佳的散熱機制來解決所產生的高熱問題。

根據The Market for Thermal Management Technologies報告,熱管理產品在全球市場的市值預估可由2015年的107億美元成長至2021年的147億美元,年複合成長率(CAGR)為5.6%,不僅顯示熱管理是一重要產業,也代表市場上對熱管理產品的殷切需求。

(在文章下半部分會講華為在石墨烯方面的應用,不過建議大家先看一下前邊理論部分,環搜索微信公眾號:新材料產業技術論壇並關注)

電子產品部件中大量使用集成電路。眾所周知,高溫是集成電路的大敵。高溫不但會導致設備運行不穩,使用壽命縮短,甚至有可能使某些部件燒燬,攜帶式設備還會對人體造成傷害。

導致高溫的熱量不是來自電子設備外,而是電子設備內部,或者說是集成電路內部。散熱部件的作用就是將這些熱量吸收,發散到設備內或者設備外,保證電子部件的溫度正常。

一般來說,散熱方式可簡分為被動散熱及主動散熱。

主動散熱:通過外力推動流體循環,帶走熱量。

被動散熱:是利用物理學熱脹冷縮的原理,流體自然循環散熱或利用固體流體的比熱容吸收熱量使其達到散熱的目的。

散熱方式可細分為熱傳導、熱對流及熱輻射。

熱傳導:(thermal conduction)

是介質內無宏觀運動時的傳熱,熱量從系統的一部分傳到另一部分或由一個系統傳到另一個系統的現象,其在固體、液體和氣體中均可發生。

熱對流:(thermal convection)

是指由於流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移(對流),冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程,對流傳熱可分為強迫對流和自然對流。強迫對流,是由於外界作用推動下產生的流體循環流動。自然對流是由於溫度不同密度梯度變化,重力作用引起低溫高密度流體自上而下流動,高溫低密度流體自下而上流動。

熱輻射 (thermal radiation )

是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式。它不依賴任何外界條件而進行。


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其中風扇強制散熱顧名思義就是藉由風扇產生強力的空氣對流,將熱空氣導出熱源或燈具本體之外來進行散熱,使用風扇強制散熱可以藉由調控風扇轉速而有效的將熱排出,電腦或伺服器等電子產品若機構空間充足,大都以風扇進行強制散熱,不僅成本低廉且是相當有效的散熱方式。

被動式散熱則包含自然對流散熱與迴路熱管散熱,其中自然對流散熱是透過散熱器,例如散熱鰭片、燈具燈殼、系統電路板等和空氣進行直接接觸,散熱器周邊的空氣因吸收熱量成為熱空氣,接著熱空氣上升,冷空氣下降,自然就會帶動空氣產生對流,達到散熱的效果。對於機構空間有限的電子產品,如手機或平板電腦,乃至於LED燈源等不適合加裝風扇的產品,大多采用此種散熱方式。然而,此種方式的熱交換驅動力僅來自熱源與周圍空氣之溫差,加大接觸面積才能提高散熱效果。

隨著處理器的運作頻率不斷提高與高功率LED產品的推出,越來越多的廢熱需有更大的散熱表面積,然而採用自然對流方式的產品就是著眼於在有限空間之下提高散熱表面積,此法無異是有違初衷,而且散熱鰭片的材質雖然常選用熱傳導係數較高的鋁和銅等金屬材料,但是金屬的高熱傳導性只能有效將熱源的熱經由單一的點擴散到金屬面,降溫的機制仍然要靠金屬表面與空氣之間的溫度差以自然熱對流的形式發散,且一般金屬表面的熱輻射係數偏低,表面熱散能力相對不足,不利於以自然散熱為主的散熱模組。要進一步增加散熱效果,須提高熱輻射效率。

華為如何玩轉石墨烯?

華為即將發佈的Mate 20系列。除了會首發7nm工藝的麒麟980處理器以及40W快充之外,疑似華為Mate 20手機的散熱技術也被曝光了,這一次華為要上期待已久的黑科技散熱石墨烯了嗎?


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數碼博主科技有意思前幾天收到匿名網友爆料,偷拍的會議內部PPT資料中提到了兩種散熱技術,一種是雙風扇+雙熱管,而且是首創雙渦輪散熱分離技術,不過這個散熱技術是給筆記本用的,應該會用在華為新一代Matebook筆記本中。


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第二個散熱技術就更厲害了,直接說是“業界領先的散熱黑科技:石墨烯”,這個技術沒說是給什麼產品用的,但是筆記本上會使用雙風扇+雙熱管,沒必要再用昂貴的石墨烯散熱了,石墨烯主要是給散熱空間有限的高價值產品使用的,確實是目前的黑科技技術之一,所以這個爆料公開之後,大家傾向於認為Mate 20手機會用上石墨烯散熱技術。


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現在的智能手機由於空間限制,散熱技術多年來進化的比處理器、屏幕、電池要慢得多了,大多數都是使用石墨貼導熱——雖然石墨跟石墨烯名字很相似,但是兩者完全不一樣,石墨是一種比較廉價的材料了,智能手機及其他電子產品上使用石墨散熱已經有很多年了,但是使用石墨烯的還沒有,因為石墨烯(Graphene)是一種全新的材料,特性及性能是石墨不可比的。


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石墨烯是一種單層碳原子組成的材料,由於它獨特的結構,石墨烯表現了極強的特性,比如硬度超過鑽石、電子遷移率超過硅材料10倍多,還有超高的導熱率,導熱係數高達5300W/mK,是目前為止導熱係數最高的碳材料,所以它用於散熱的話效果遠遠好於石墨,而且沒什麼重量,是智能手機最理想的散熱材料,沒有之一。


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目前石墨烯技術還存在無法大規模製備高品質石墨烯的難題,因此品質很好的石墨烯大多還停留在實驗室階段,華為在石墨烯技術方面也投入研究很多年了,2016年的時候華為還宣佈了一項基於石墨烯的高溫鋰電子電池技術,這個主要是針對石墨烯電池的,但已經顯示出華為對石墨烯技術的應用接近實用程度了。如今兩年過去了,華為將石墨烯技術應用於Mate 20手機的散熱系統上也不是沒可能的,畢竟做成導熱貼的技術難度比做電池要低一些。


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