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液冷散热器,让手机凉下来

威铂驰为代表的中国产业链迅速成为散热器,这一5G手机、笔记本电脑等关键器件的领先供应商

文/智物

10月14日,长征二号丁运载火箭在太原卫星发射中心点火升空,以“一箭十一星”的方式成功将11颗卫星送入预定轨道,其中,包括一颗轨道大气密度探测实验卫星。

据悉,该卫星将长期负责大气密度预测保障服务体系的“探”环节,建立中国自主中低轨大气模型,其严苛的工作环境对散热器件的可靠性有着极高的要求,而该颗卫星采用了国内首次尝试的航天特种相变热管。

该套特种相变热管生产商深圳威铂驰热技术有限公司CEO Hank表示:“汽-液相变散热器工作的自发性,无需额外耗能就可以实现热量搬迁和器件、设备等的降温,在保证航天器件、消费电子器件、智能电动汽车热管理功能的同时,也是在为碳中和和碳达峰在贡献力量。”

在航天工程上大获成功的同时,这一技术应用如今正随着人类社会进入4nm制程时代而备受关注。

《地心引力》当中,布洛克驾驶中国的天宫飞船冲入大气层,仪表盘已开始冒烟

如无意外,联发科和高通会在三个月后同步推出各自的旗舰处理器,而这一次手机SoC的制程将实现4nm的突破。更强的算力,更高的功耗,这也意味着智能手机即将迎来自诞生之初最严峻的散热考验。

散热系统,让智能手机成为可能

2010年,被誉为乔布斯时代最伟大的作品——iPhone 4横空出世,Retina屏幕、App Store、A4芯片,为全球智能手机厂商提供了模板。

但很少有人注意到,iPhone 4其实是第一代搭载散热器件的手机,尽管今天看来这个散热系统十分简陋。为了让A4芯片稳定运行,苹果在背板上覆盖了一层石墨散热贴纸,在芯片部分石墨层和芯片屏蔽罩直接接触,将热量传递至整个玻璃背板。

这一看似不起眼的设计让iPhone 4在算力大幅提高的情况下,续航表现却领先于前代产品。

不过,这一设计并没有被其他厂商跟进,因为此时高通芯片的功耗平平,且安卓阵营中仍以可更换电池的机型为主流,续航和散热问题均不在厂商的考虑范围之内。

直到骁龙810的到来,安卓阵营才第一次明白了散热意味着什么。

2013年,iPhone 5S搭载全球首款64位处理器A7芯片亮相,将手机芯片带入了64位时代,这一动作瞬间打乱了高通的布局。急病乱投医,高通为了追赶苹果的脚步,放弃自家的架构改用公版A53 A57架构,并选择了台积电20nm制程,以实现64位处理器迅速量产。

这一系列操作的结果是,堪称史上最差处理器的骁龙810诞生。自身极高的功耗让手机的续航表现血崩,散热表现几乎无法胜任任何一款大型游戏,手机厂商甚至宁愿在自家的旗舰机上搭载前代产品,也不选择骁龙810。

值得一提的是,在这一年,摩托罗拉刚刚凭借“里程碑”系列站稳脚跟,HTC在中国大陆的市场份额已经超越三星,小米正欲通过全新的Note系列进军高端,但这一切都随着骁龙810的出现化为泡影。

骁龙系列芯片也从此被带上了“火龙”的帽子。

自此之后,手机厂商愈发重视散热问题,并开始大面积采用石墨贴纸及铜管散热,但如今看来这两种方案都颇具“应急色彩”。石墨的横向散热能力是铜的十倍,却不具备纵向的散热能力,铜管能实现三维的导热但严重受限于热传输横截面积。

不过,在5G时代来临之前,这样的方案仍足以应对大多数使用场景。

液冷散热器,终极方案

2019年,全球智能手机行业进入5G时代,由于算力的高度提升,手机的散热问题更加突出,在高热量产生的情况下,仅通过简单的空气辐射热,或者石墨等散热材料已经远远不够。

尤其是高耗能的5nm制程SoC上市后,手机的发热甚至已经愈发严重。

今年上半年,多个品牌的旗舰机型被爆出严重的手机过热问题,尤其在充电状态下,手机几乎无法正常使用。

小米发布的与友商的手机温度对比,小米是最早使用手机散热片设计的品牌之一

这并非是手机在设计上的缺陷,而是搭载骁龙888 SoC手机的通病,由于三星5nm工艺未能达到预期,从而降低了X1的核心功耗,让骁龙888的发热量十分惊人。

在一定程度上,过高的功耗也限制了芯片的性能表现,由于器件在温度上升时,会主动通过降频的方式实现自我保护,因此芯片的性能释放也无法发挥到极致,导致用户在使用骁龙888的机型玩游戏时,经常遇到跳帧、卡屏的情况。

为解决这一问题,国内厂商曾发布过一款外形类似电脑风扇的“冰封背夹”,不同于电脑风扇通过铜管导热、风扇对流散热的方式,冰封背夹本身就带有制冷器件,可以让手机长时间保持低温状态。

从原理上来看,冰封背夹的设计能够最大程度降低手机发热问题,但从实际效果来看,由于不具备储能系统,只能在充电状态下使用,其使用场景十分受限。

而以威铂驰为代表的厂商则选择更加先进的“相变散热”技术去解决手机的发热问题,即汽-液相变散热器。

通过薄热管(HP)或均热板(VC)建立密闭真空空间,让冷却液在其中产生汽-液两项循环,在无需额外增加动力的情况下,实现高效、清洁的散热。

从原理上来看,这项技术与大气密度探测卫星上的散热器几乎完全相同。

与传统的石墨和铜等散热材料相比,热管传热能力更好而且成本低廉,内部构造相对复杂的热板则具备三个维度上的传热能力且更加轻薄。

目前,超过半数的5G手机均搭载了薄热管和均热板组件,尤其是游戏手机品牌中,黑鲨、iQOO均采用了超过5000mm?的超大均热板,其实际发热表现要远好于搭载骁龙888的同类机型。

而除5G手机外,笔记本电脑应用也开始逐渐采用热管或热板等液冷散热器,比如苹果此前发布的M1芯片版本的Macbook Air就取消掉了风扇结构,转而使用热管散热,

这并非是因为风冷散热已经发展到了尽头,而是由于液体的比热容远远大于空气,因此液冷散热器往往具备不错的散热效果,同时在噪音方面也能得到很好的控制。

据传闻,在苹果即将发布的Macbook Pro M1芯片版本上,风扇组件也将被替换为热管,这或许将在PC领域掀起一阵“液冷狂潮”。

国产品牌崛起背后的国产供应商成长

实际上,液冷散热器产业曾长期被中国台湾地区相关厂商所把持。

从供应链和竞争格局的角度看,中国大陆在石墨、石墨烯、TIM(导热界面)材料和半固态压铸件上掌握相关技术,但在热管和热板领域,安信证券的研报数据显示,全球70%的液冷散热器由台湾厂商供应。

但随着威铂驰、飞荣达、中石科技等厂商的崛起,行业格局正在被迅速扭转。

2020年,国内厂商威铂驰打造了首颗游戏手机高功率传热散热超薄VC,其单个器件热流密度超过10W/cm?,基本达到了业界顶尖水准。

吓人苹果芯片设计,背后是吓人的功能消耗和散热需求

此后,威铂驰又成功量产0.35mm和0.3mm厚度超薄VC,并成功研发出0.2mm厚度的超过5000mm?的大面积超薄VC。据悉,目前威铂驰旗下产品已经成功打入黑鲨、小米、vivo、比亚迪等国内外头部厂商。

除威铂驰外,包括AAC、中石科技、飞荣达、长盈在内的厂商均实现了HP/VC的批量出货。据统计,在2020年,仅仅是手机均热板的市场规模就已经突破18亿元,横州博智电子及半导体研究中心预计,到2026年,全球手机均热板市场将达到215亿元的规模,年复合增长率为29.4%。

值得一提的是,从去年搭载VC散热的Redmi K30等机型的发布来看,薄热管/均热板技术下沉到中端手机在近两年或将成为新的趋势。

Counterpoint Research预计,今年下半年智能手机出货量将实现14.5亿台,如果以其中50%的中高端市场份额统计,当前市场对于HP、VC的需求将有望达到1.2亿片/月。

此外,热管散热技术并不仅局限在移动通讯领域之中,比如AAC所生产热管散热系统就广泛应用于声学领域,而具备钛合金、不锈钢、铜合金开发能力的威铂驰更是打造了中国航天史上第一个特种工质散热器,为轨道大气密度探测卫星平稳工作定制了一道关键屏障。

前瞻产业研究院此前预计,2018年-2023年散热产业年复合增长率有望达到8%,市场规模有望从2019年的1497亿元增长到2023年的2199亿元。从长期发展趋势来看,5G带来的网络流量增加,将会驱动服务器应用和商业基站的进一步上量,其连带的散热市场规模将迎来一次爆发。

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