液冷散热铜管散热效率高 热管均热板渗透至手机和基站

液冷散热铜管散热效率高 热管均热板渗透至手机和基站

铜管散热技术中的铜管为中空设计，管中装有少量的水或者其他化学物质，当手机的温度超过临界温度时，铜管中的液体液化，蒸汽顺着管壁的毛细结构将热量从主板上带走，后蒸汽降温液化后，又顺着毛细结构流回。

铜管的管壳可以是标准的圆形也可以是椭圆、波纹等异形，用于手机中的散热铜管多以圆形和扁平为主。铜管内芯的毛细结构主要包括单层及多层网芯、轴向槽道式管芯和烧结粉末管芯等等。

最初在将液冷铜管散热技术使用在手机中的代表是索尼，在Xperia Z2和Xperia Z5Premium中分别使用了单铜管和双铜管散热，利用铜优秀的导热性和管中液体的冷凝过程导出手机中的热量。

相较于石墨散热方式，液冷铜管散热方式散热效率更高，导热也更加均匀。随着手机处理器性能越来越强对散热的需求持续提升，越来越多的手机开始使用液冷散热系统，例如：小米黑鲨游戏手机Helo采用双热管液冷散热；三星Note9采用碳纤液冷系统；OPPO Reno 10倍变焦版本采用液冷铜管散热等。

小米黑鲨游戏手机Helo使用双热管液冷散热方案，手机中的液冷系统是一套完整的液冷回路，热量铜管高导热材料传至导热铜管，铜管中的冷却液一定程度上帮助散热，此外热量还能够经过导热管分散到手机的其他位置，使元器件的温度能够均匀传导至手机外层提高散热效率。相较与之前黑鲨一代，Helo将导热铜管从一条增加至两条，分别经过CPU和WiFi区域，散热效率较之前有所提高。而小米在海外发布的PocoF1机型则使用水冷散热系统，搭载装满水雾的散热铜管，铜管从芯片组上的金属散热器吸走热量，后进入电池下方连接到手机的金属主干，将热量平均分散到手机的各个部位，大大提升散热性能。

华为在荣耀Note10中首次公布THE NINE液冷散热技术，在荣耀Note10中，华为使用的液冷管长度为113mm约为小米黑鲨中的两倍，液冷管直径与MacBookAir中一致为5mm，是小米黑鲨的1.7倍，贯穿机身的液冷管再加上手机中的九层立体散热，使散热效率提升41%，极限场景CPU最高可降温10摄氏度。

而根据华为轮值董事长徐直军称华为的5G芯片将会消耗目前4G调制解调器2.5倍的功率，高功耗芯片必然也会带来更大的热量。而据了解，高通的5G芯片耗电量达5.3W，若同时含镜头及3D感测操作，整部手机瞬间能耗可以达到9.6W。更多的电量消耗，意味着5G手机要采用更复杂更高级的技术控制设备的过热。

电子元器件小型化、高功率化。以Intel芯片为代表，我们可以看到芯片发展趋势呈现单核到多核、低频到高频、低散热设计功耗到高散热设计功耗。一般散热设计功耗主要应用于CPU，CPU散热设计功耗值对应系列CPU的最终版本在满负荷（CPU利用率为100%的理论上）可能会达到的最高散热热量，散热器必须保证在处理器TDP最大的时候，处理器的温度仍然在设计范围之内。

笔记本电脑、智能手机呈重量变轻、厚度变薄的趋势。消费者更加喜好轻薄产品，我们可以看到轻薄本的占比正在持续提升，智能手机厚度变得越来越薄。随着集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小，其功率密度却快速增加，散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题。

由于液冷技术优秀的散热效果，市场上已发布的5G手机中大都搭载有液冷散热装置以满足5G手机远超4G的散热需求。

热管/VC导热系数最高，渗透率有望持续提升

热管和均热板（Vapor Chamber，VC）利用了热传导与致冷介质的快速热传递性质，导热系数较金属和石墨材料有10倍以上提升，作为新兴的散热技术方案，近年来开始获得广泛应用。热管的导热系数范围为10000~100000W/m·K，是纯铜膜的20倍，是多层石墨膜的10倍。均热板作为热管技术的升级，进一步实现了导热系数的提升。

热管/VC散热系统的导热路径为：CPU产生热量经过TIM（导热界面材料）传导到热管，热管将热量快速传导到铜箔均匀散开，铜箔的热量进一步传导到石墨散热膜再均匀散开，同时石墨散热膜在手机平面方向把热量传导到金属支架上最后均开。

热管一般由管壳、吸液芯和端盖构成，将管内抽成负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封，管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段中间可布置绝热段。吸液芯采用毛细微孔材料，利用毛细吸力（由液体表面张力产生）回流液体，管内液体在吸热段吸热蒸发，冷却段冷凝回流，循环带走热量。

均热板又叫平板热管，其工作原理与热管类似，包括了传导、蒸发、对流、凝固四个主要步骤。两者的差别在于热传导的方式不同。热管的热传导方式是一维的，是线的热传导方式，而均热板的热传导方式是二维的，是面的热传导方式，所以散热效率更加高。研究表明，VC散热器的性能比热管提高20%~30%。

从应用范围和渗透率来看，由于热管成熟时间早，且成本相对较低，在计算机/笔记本、投影仪、LED、大功率IC等微电子和光电领域具有广泛应用，目前也已经延伸到手机。而VC当前的生产成本高，且量产能力弱，应用领域局限在高端笔记本、5G智能手机和电竞手机上，华为从Mate20 X开始均热板VC，三星新款旗舰机Note10首度采用VC。目前，VC平均单价为2~3美金，是热管的5~10倍，轻薄型的单价更高。在消费电子轻量化、超薄化且性能持续升级的背景下，热管和VC有望发挥导热性能优势，渗透率持续提升。

乐观预计，到2020年，热管/VC在手机终端的渗透率有望提升至15%，按照15亿台的手机出货量测算，假设热管/VC平均单价为1.5美金，则2020年市场空间为3.38亿美元。

厚度、长度和外观要求高，生产工艺难度大

虽然热管和VC的导热系数远高于金属、石墨和TIM材料，但在电子产品超薄化和轻量化的发展背景下，将热管和VC的厚度控制在合理范围面临很大挑战。PC上热管直径一般在1~2毫米，便携电脑和平板上的热管一般在0.8~1.2毫米，智能手机热管则需要控制在0.6毫米以内。三星S8中的热管厚度已经下降至0.4mm。均热板是将两片铜板四边焊接，由于面积更大，散热效果更佳，但随着产品的轻薄化要求，均热板的毛细结构从铜粉烧结往蚀刻过渡，并且厚度下探到0.4mm以下对焊接精度等更为苛刻，故而生产难度较高，价格昂贵。

除厚度需要满足智能手机轻薄化的需求外，热管实际导热系数受长度和外观两大因素的影响。长度越长，导热系数越高。外观方面，打扁和折弯等形状变化都会影响热管的毛细极限和蒸汽腔极限，两大极限值中的较低者决定了热管的最大导热量Qmax。毛细极限是指毛细结构决定的将水从冷凝器输送回蒸发器的能力；蒸汽腔极限是指蒸汽从蒸发器移动到冷凝器的空间。因此，通过改变热管外观，调整毛细结构（孔隙率和厚度），可以满足不同应用场景对导热性能的要求。例如，当需要给定直径的热管在较高功率负载或重力下操作时，毛细管压力就需要增加；当需要更大的传热量时，孔隙半径就要扩大；当需要抵抗重力时，孔隙半径要适当缩小或者增加孔隙厚度。

从生产工艺的角度，热管的核心技术是纳米烧结吸液芯技术。具体流程为，（1）在热管内部壁面上涂布一层纳米高分子液体粘结剂；（2）在粘结剂上涂布一层金属粉末；（3）送入高温烧结炉内进行烧结；（4）冷却后即完成热管烧结芯。由于热管和VC的生产工艺要求较高，目前主要供应链在海外，国内厂商正在积极寻求突破。

台湾厂商占据主要份额，大陆厂商已实现技术突破

热管和VC均热板的供应链主要在台湾，相关厂商占据了大约70%的市场份额，包括超众、双鸿、泰硕、奇宏和健策等，下游客户覆盖全球主流的服务器、计算机、笔电和手机厂商。2019年上半年，在消费电子市场整体疲软的市场背景下，主要台湾散热厂商实现收入大幅增长，营收增速回暖，我们判断主要原因在于5G基站及相关终端需求的快速放量。

目前，国内厂商在热管和VC上已取得一定的技术突破，碳元科技和飞荣达均有布局。根据碳元科技招股说明书，公司于2018年投资设立常州碳元热导科技有限公司，主要从事超薄热管/VC及相关材料的研发和生产，从而提供包括高导热石墨、超薄热管及VC在内的完整的终端散热解决方案。飞荣达于2018年收购昆山品岱55%股权，昆山品岱主营散热模组，拥有热管/VC、冲压件和风扇技术和产品，在服务器、医疗器械、军工产品、新能源以及消费电子等领域具备丰富的技术、产品和销售经验。

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