новости

Как испарительные камеры и графит управляют теплом в тонких смартфонах?

Наиболее эффективное терморешение для тонких смартфонов сочетает испарительную камеру (VC) для распределения высоких тепловых потоков с графитовыми листами для бокового распространения тепла, достигая термического сопротивления «переход-окружающая среда» ниже 1,5 К/Вт в корпусе толщиной 7 мм. Испарительные камеры отлично справляются с нагрузками процессора от 5 Вт до 15 Вт с эквивалентной теплопроводностью от 5000 Вт/(м·К) до 20000 Вт/(м·К), в то время как графит обеспечивает теплопроводность в плоскости от 400 Вт/(м·К) до 1500 Вт/(м·К) для зон, чувствительных к стоимости. В этой статье подробно описаны инженерные компромиссы, производственные спецификации и реальные данные о производительности, основанные на нашем 20-летнем опыте производства термокомпонентов в Дунгуане.

Каковы ключевые различия между испарительными камерами и графитом в управлении температурой смартфона?

Испарительные камеры — это герметичные корпуса из меди или нержавеющей стали, содержащие рабочую жидкость (обычно воду), которая испаряется у источника тепла и конденсируется на более холодных краях, передавая тепло за счет фазового перехода. Это двухфазные устройства толщиной от 0,3 мм до 0,6 мм, способные выдерживать тепловые потоки до 350 Вт/см² без пересыхания. Графитовые листы, напротив, являются твердыми анизотропными проводниками, изготовленными из полиимидной пленки, карбонизированной при температуре от 2800 °C до 3000 °C, и обеспечивают теплопроводность в плоскости от 1000 Вт/(м·К) до 1500 Вт/(м·К), но лишь от 5 Вт/(м·К) до 20 Вт/(м·К) в перпендикулярном направлении. В 7-миллиметровом смартфоне испарительные камеры обычно размещаются непосредственно над системой на кристалле (SoC) для пиковых нагрузок, в то время как графит покрывает аккумулятор, модуль камеры и подложку дисплея для пассивного распределения тепла.

Сколько тепла выделяет современный смартфон и откуда оно берется?

Флагманский SoC смартфона (например, Snapdragon 8 Gen 3 или A17 Pro) может рассеивать от 8 Вт до 12 Вт во время длительных игр или записи видео в 4K, с пиковыми переходными скачками до 15 Вт в течение 2–3 секунд. Драйвер дисплея добавляет от 1,5 Вт до 2,5 Вт, 5G-модем вносит от 2 Вт до 3,5 Вт при активной передаче данных, а схема зарядки генерирует от 3 Вт до 5 Вт во время быстрой зарядки мощностью 65 Вт. Суммарное тепловыделение системы может достигать от 18 Вт до 22 Вт при наихудшем сценарии одновременной работы, что привело бы к температуре корпуса от 48 °C до 55 °C без активного распределения тепла. Наши тепловые симуляции для корпуса 6,1 дюйма показывают, что голый SoC нагревает поверхность до 52 °C за 90 секунд, тогда как испарительная камера толщиной 0,4 мм плюс слой графита 0,05 мм удерживают ту же поверхность при 41 °C через 10 минут.

Почему испарительная камера превосходит цельную медь в корпусе толщиной 7 мм?

Теплопроводность цельной меди составляет 385 Вт/(м·К), и медный распределитель толщиной 0,4 мм над SoC размером 10 мм × 10 мм может снизить температуру горячей точки лишь на 8–10 °C, поскольку тепло распространяется в боковом направлении через тонкое поперечное сечение. Испарительная камера тех же размеров использует скрытую теплоту воды (2260 кДж/кг) для переноса тепла по всей площади 50 мм × 60 мм с эффективной теплопроводностью от 8000 Вт/(м·К) до 15000 Вт/(м·К). В наших лабораторных испытаниях испарительной камеры толщиной 0,4 мм с источником тепла 12 мм × 12 мм при мощности 10 Вт термическое сопротивление от перехода до поверхности испарительной камеры составило 0,18 К/Вт против 0,65 К/Вт для медного листа 0,4 мм той же площади. Это трехкратное улучшение критически важно для поддержания температуры перехода SoC ниже 95 °C, что является максимальным длительным рабочим пределом для большинства мобильных процессоров.

Какие компоненты смартфона требуют графитовых листов, а какие — испарительных камер?

Испарительные камеры обязательны для любых компонентов с непрерывным рассеиванием более 5 Вт, включая основной SoC, 5G-модуль mmWave (3–4 Вт) и катушку беспроводной зарядки (5–7 Вт во время зарядки). Графитовые листы достаточны для компонентов мощностью ниже 3 Вт, таких как драйвер AMOLED-дисплея (1,5 Вт), подэкранный датчик отпечатков пальцев (0,8 Вт) и процессор обработки изображений задней камеры (2 Вт). Для аккумулятора используется графитовый лист толщиной от 0,03 мм до 0,05 мм для выравнивания температуры по всей ячейке и предотвращения локальных горячих точек во время зарядки мощностью 65 Вт, что снижает максимальную температуру аккумулятора с 44 °C до 38 °C. Типичный смартфон среднего класса использует от 2000 мм² до 3000 мм² графита, в то время как игровой телефон использует одну испарительную камеру (от 3000 мм² до 5000 мм²) плюс 1500 мм² графита для зон антенн.

Сколько стоят испарительные камеры и графитовые листы для производства смартфонов?

На нашей фабрике в Дунгуане себестоимость единицы испарительной камеры толщиной 0,4 мм и размером 50 мм × 60 мм составляет от 1,20 до 2,80 доллара США в зависимости от структуры фитиля (спеченный медный порошок на 15% дороже сетки), точности заправки рабочей жидкости (±0,01 г) и требований к проверке герметичности (гелиевая масс-спектрометрия против водяной бани). Графитовые листы стоят от 0,05 до 0,15 доллара за 1000 мм² для толщины 0,025 мм и от 0,15 до 0,40 доллара за 1000 мм² для толщины 0,05 мм с клеевым слоем. Оснастка для изготовления испарительной камеры на заказ (включая штамп, сварочное приспособление и станцию вакуумной заправки) стоит от 18 000 до 35 000 долларов, в то время как оснастка для вырубки графита стоит всего от 800 до 2500 долларов. Для производственной партии в 500 000 единиц общая стоимость терморешения (одна VC + два графитовых листа) составляет от 3,50 до 5,20 доллара на телефон, что представляет собой от 1,5% до 2,5% себестоимости компонентов для устройства стоимостью от 300 до 600 долларов.

Как производятся испарительные камеры и какие допуски достижимы?

Процесс производства испарительной камеры начинается со штамповки медного листа толщиной 0,2 мм (C1020 или C1100) в верхнюю и нижнюю оболочки, с последующим спеканием меднопорошкового фитиля толщиной 0,15 мм на внутренней поверхности при температуре 950 °C в атмосфере водорода. Оболочки свариваются вместе лазерной шовной сваркой (ширина шва 0,05 мм) или диффузионной сваркой, затем через заливочную трубку впрыскивается точное количество деионизированной воды (от 0,25 г до 0,45 г), которая затем обжимается и герметизируется. Наши производственные допуски: общая толщина ±0,03 мм, плоскостность 0,05 мм на длине 50 мм и скорость утечки ниже 1 × 10⁻⁸ Па·м³/с для гелия. Тепловые характеристики проверяются инфракрасной термографией при 5 Вт, 10 Вт и 15 Вт с критерием отбраковки при горячей точке выше 100 °C или отклонении термического сопротивления более чем на 10% от спецификации.

Когда смартфон должен использовать только графит вместо испарительной камеры?

Решение только с графитом приемлемо для устройств с длительной расчетной тепловой мощностью (TDP) ниже 4 Вт, таких как бюджетные смартфоны с процессорами среднего класса (например, Snapdragon 6 серии) или кнопочные телефоны. Для SoC мощностью 3 Вт графитовый лист толщиной 0,05 мм (1500 Вт/(м·К)) снижает температуру перехода со 110 °C до 88 °C, что находится в пределах безопасного рабочего диапазона. Экономия средств значительна: решение только с графитом стоит от 0,30 до 0,80 доллара на телефон против от 2,00 до 4,00 доллара для решения с испарительной камерой, а графит добавляет лишь от 0,05 мм до 0,1 мм толщины против 0,4 мм для VC. Однако, если устройство поддерживает быструю зарядку мощностью 33 Вт или выше, мы рекомендуем как минимум небольшую испарительную камеру (30 мм × 40 мм) над контроллером зарядки, поскольку схема зарядки может рассеивать от 4 Вт до 6 Вт во время цикла быстрой зарядки.

Каковы риски надежности испарительных камер и графита при повседневном использовании?

Основной режим отказа испарительных камер — пересыхание, когда рабочая жидкость испаряется быстрее, чем фитиль может вернуть ее к источнику тепла; это происходит при тепловых потоках выше 350 Вт/см² или при работе камеры в перевернутом положении (конденсатор выше испарителя). Мы снижаем этот риск, используя спеченный фитиль с пористостью от 40% до 50% и паровое пространство 0,2 мм, что обеспечивает капиллярное давление от 3 кПа до 5 кПа, достаточное для нагрузок 15 Вт в любой ориентации. Графитовые листы могут отслаиваться от клеевого слоя, если температура устройства превышает 120 °C в течение длительного времени, поэтому мы используем силиконовый клей, рассчитанный на непрерывную работу при 150 °C. Оба решения имеют срок службы более 100 000 тепловых циклов (от 25 °C до 85 °C) без деградации, согласно нашим ускоренным испытаниям на долговечность по стандарту JESD22-A104.

Часто задаваемые вопросы

Насколько испарительная камера тоньше тепловой трубки?

Испарительная камера для смартфона имеет толщину от 0,3 мм до 0,6 мм, в то время как тепловая трубка имеет диаметр от 1,5 мм до 2,0 мм, поэтому испарительная камера в 3–5 раз тоньше. Это делает VC единственным двухфазным решением, которое помещается под графит-покрытый дисплейный стек толщиной 0,7 мм в 7-миллиметровом телефоне.

Может ли графит заменить испарительную камеру, если телефон толще?

Если толщина телефона увеличивается до 9 мм, медная тепловая трубка толщиной 1,0 мм может заменить испарительную камеру, но графита по-прежнему недостаточно для нагрузок SoC выше 5 Вт. Графит сам по себе не может справиться с пиковыми нагрузками 15 Вт, поскольку его теплопроводность в перпендикулярном направлении 10 Вт/(м·К) создает перепад температур 15 °C через слой 0,05 мм.

Какова максимальная температура поверхности смартфона при нормальном использовании?

Стандарт Международной электротехнической комиссии (МЭК) 62368-1 ограничивает температуру поверхности портативных устройств до 48 °C для металлических поверхностей и 55 °C для пластиковых поверхностей при нормальной работе. С испарительной камерой наши испытания показывают максимальную температуру поверхности от 42 °C до 45 °C при длительной нагрузке 10 Вт в условиях окружающей среды 25 °C.

Как складные телефоны используют испарительные камеры по-другому?

Складные телефоны используют две испарительные камеры, по одной на каждой половине устройства, соединенные гибкой графитовой петлей в области шарнира, поскольку VC не может изгибаться. Область шарнира требует графитовый лист толщиной 0,03 мм с радиусом изгиба 1,5 мм, что снижает теплопроводность до 700 Вт/(м·К) в зоне сгиба.

Какое терморешение лучше всего подходит для 5G-модулей антенн mmWave?

Модуль антенны 5G mmWave генерирует от 3 Вт до 4 Вт тепла на очень малой площади (15 мм × 15 мм), поэтому рекомендуется локальная испарительная камера толщиной 0,3 мм для распределения тепла на алюминиевую раму. Только графитовый лист создал бы горячую точку с перегревом 12 °C, поскольку тепловой поток превышает 20 Вт/см², что выше предела 8 Вт/см² для графита.

Каков срок изготовления оснастки для испарительной камеры на заказ?

В BQUQ проектирование и изготовление оснастки для испарительной камеры на заказ занимает от 3 до 4 недель, после чего следует 1 неделя на производство и испытание образцов. Полный вывод производства на объем 100 000 единиц в месяц требует дополнительных 2 недель, поэтому общий срок от утверждения конструкции до массового производства составляет от 6 до 7 недель.

Как проверяется тепловая производительность в производстве?

Каждая испарительная камера тестируется инфракрасной камерой при мощности 10 Вт в течение 30 секунд, и термическое сопротивление рассчитывается по температуре перехода и температуре конденсатора. Графитовые листы проверяются измерением температуропроводности в плоскости методом лазерной вспышки с допуском ±5% от спецификации.

Заключение

Выбор между испарительными камерами и графитом — это не бинарное решение, а многоуровневое инженерное решение, основанное на тепловом потоке, бюджете толщины и стоимости. Испарительные камеры являются единственным жизнеспособным решением для SoC мощностью более 5 Вт в корпусе толщиной 7 мм, в то время как графит остается незаменимым для покрытия больших площадей при низкой стоимости. Наша рекомендация для флагманского телефона — испарительная камера толщиной 0,4 мм над SoC, графитовый лист 0,05 мм над аккумулятором и дисплеем, а также мини-VC толщиной 0,3 мм над контроллером зарядки для сценариев быстрой зарядки. Для надежного и оптимизированного по стоимости терморешения приглашаем вас отправить ваши спецификации тепловой нагрузки и механические ограничения для бесплатного инженерного анализа. Мы предоставляем расчет стоимости в течение 12 часов, прототипирование в течение 5 дней и поддержку массового производства с нашей фабрики в Дунгуане. Свяжитесь с нами по адресу sc@bquq.com или WhatsApp +86 13713157787, или посетите www.bquq.com для получения подробного отчета о тепловом моделировании.

Похожие Статьи

• Моделирование ИИ и интеллектуальное производство: индустрия радиаторов перешла от "проб и доказательств" к "одноразовому правилу"
• Меньше тяжелее: технические ограничения и инновации сверхтонких радиаторов в бытовой электронике
• Когда жидкостное охлаждение становится мейнстримом: меняющаяся роль аппаратных радиаторов в эпоху центров обработки данных