邱琦

（深圳市美信檢測技術(shù)股份有限公司，深圳寶安，518108）

摘要：本文分別采用激光閃射法和穩(wěn)態(tài)熱流法測試導(dǎo)熱硅脂和石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)，并結(jié)合其對手機(jī)芯片散熱的作用機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用石墨烯作為手機(jī)散熱膜可極大程度提高手機(jī)芯片的散熱功能。

關(guān)鍵詞：手機(jī)芯片；導(dǎo)熱系數(shù)；激光閃射法；穩(wěn)態(tài)熱流法；石墨烯

引言

當(dāng)今世界，手機(jī)已經(jīng)成為了人們生活中必不可少的一部分，科技日新月異，手機(jī)芯片的性能竟有著趕超電腦芯片之勢。然而，芯片性能的提升不可避免的帶來了發(fā)熱過大等問題，去年的某旗艦芯片由于發(fā)熱巨大不說“暖手寶”，簡直是“燙手山芋”。芯片性能很大程度上依賴于集成晶體管的數(shù)量，通常，在同樣大小的封裝芯片上使用16nm的工藝可以比28nm的工藝集成更多的晶體管，所以計(jì)算性能更高，而晶體管間的間距可以更多，發(fā)熱會更小。雖然芯片制程工藝一直在不斷進(jìn)步，每減少十幾納米甚至幾納米都帶來功耗和發(fā)熱的大幅降低，但是目前芯片制程工藝已經(jīng)到達(dá)了摩爾定律的末期，進(jìn)入了一個(gè)瓶頸期，短期很難再有較大的提升。按照目前的情況，芯片想要有較大的性能提升非常困難，同時(shí)發(fā)熱很難再大幅降低，如何提高元器件的散熱功能是業(yè)內(nèi)急需解決的問題。我們且來看看那些科技大牛是如何來解決發(fā)熱的問題的。

測試及結(jié)果分析

首先我們來看一則新聞的標(biāo)題，“為了給芯片降溫，某手機(jī)廠商用上了雙熱管+硅脂”。看起來非常高大上，其實(shí)在這里雙熱管+硅脂就類似于電腦CPU的散熱器和導(dǎo)熱硅脂，雙熱管指的是導(dǎo)熱系數(shù)較高的銅或者鋁做的散熱管，而導(dǎo)熱硅脂的作用是減少散熱管與芯片之間的接觸熱阻。導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻是衡量物質(zhì)傳熱性能的主要參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)越高，傳熱就越快，可以更快地將熱量從高溫物體帶走，而熱阻越小，對熱傳導(dǎo)的阻礙作用就越小，少一點(diǎn)阻礙熱傳導(dǎo)會更順暢。可能這樣說還不夠一目了然，我們拿實(shí)際數(shù)據(jù)來分析一下。從筆者的測試數(shù)據(jù)來看，使用激光閃射法^[1]測量銅或者鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)幾百W/m·K，而使用穩(wěn)態(tài)熱流法^[2]測試的導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)大多數(shù)在1~5W/m·K之間，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)雖然不高，但是對接觸熱阻減小的貢獻(xiàn)卻是很關(guān)鍵的，因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)非常低，而導(dǎo)熱硅脂可以填充導(dǎo)熱管與芯片之間的微小空隙，可以使熱量從更大接觸面流走。下面是筆者所做測試的實(shí)際數(shù)據(jù)可供參考：

圖1 某鋁合金樣品使用激光閃射法測量的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果

圖2 某導(dǎo)熱硅脂樣品使用穩(wěn)態(tài)熱流法測量的熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果

手機(jī)芯片散熱目前更為普遍的一種解決方案是使用散熱膜。石墨烯是目前炙手可熱的一種新材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱與導(dǎo)電性能，正在越來越多的應(yīng)用于我們的日常生活中，而用于手機(jī)散熱膜則是石墨烯較為常見的一種應(yīng)用。根據(jù)筆者所做測試的結(jié)果來看，很多廠商的石墨散熱膜樣品的導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)接近1000W/m·K，這樣的數(shù)據(jù)相比傳統(tǒng)用于散熱的金屬散熱器具有非常大的優(yōu)勢。簡單來說，手機(jī)芯片在玩游戲時(shí)突然負(fù)載猛升，產(chǎn)熱也是猛增，如果不能將熱量快速帶走并散發(fā)出去，拿在手上就能感覺很燙了，芯片也可能存在燒毀的危險(xiǎn)，而使用高導(dǎo)熱的石墨散熱膜一般就能很好的解決散熱的問題。下面是筆者所做測試的實(shí)際數(shù)據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)可供參考：

圖3 某人工石墨樣品使用激光閃射法測量的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果

芯片的散熱方式還有很多種，電腦芯片還出現(xiàn)了新型的水冷散熱，甚至用上了液氮制冷，聽起來都有點(diǎn)讓人咋舌。使用液氮制冷確實(shí)是夸張了點(diǎn)，當(dāng)前使用熱管或者石墨散熱膜已經(jīng)能夠很好的使手機(jī)芯片散熱降溫，以后科技的發(fā)展帶來更新更厲害的散熱器也未可知，不過本質(zhì)上還是看散熱器使用材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的高低，相信您閱讀了前文所述已經(jīng)有了自己的判斷。

結(jié)論

采用激光閃射法和穩(wěn)態(tài)熱流法測試散熱產(chǎn)品及元器件的導(dǎo)熱系數(shù)是了解手機(jī)芯片散熱功能的良好途徑。由石墨烯制成的散熱膜能極大程度提高手機(jī)芯片的散熱能力。

參考文獻(xiàn)

[1] ASTM E1461-13《用閃光法測定熱擴(kuò)散率的試驗(yàn)方法》.

[2] ASTM D5470-12《熱傳導(dǎo)電絕緣材料熱傳導(dǎo)性能測試方法》.

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