400-850-4050

浅析测量导热系数对手机芯片散热的意义

2017-03-16  

邱琦

(深圳市美信检测技术股份有限公司,深圳宝安,518108)

 

摘要:本文分别采用激光闪射法稳态热流法测试导热硅脂和石墨烯的导热系数,并结合其对手机芯片散热的作用机理进行分析。结果表明,采用石墨烯作为手机散热膜可极大程度提高手机芯片的散热功能。

 

关键词:手机芯片;导热系数;激光闪射法;稳态热流法;石墨烯

 

引言

当今世界,手机已经成为了人们生活中必不可少的一部分,科技日新月异,手机芯片的性能竟有着赶超电脑芯片之势。然而,芯片性能的提升不可避免的带来了发热过大等问题,去年的某旗舰芯片由于发热巨大不说“暖手宝”,简直是“烫手山芋”。芯片性能很大程度上依赖于集成晶体管的数量,通常,在同样大小的封装芯片上使用16nm的工艺可以比28nm的工艺集成更多的晶体管,所以计算性能更高,而晶体管间的间距可以更多,发热会更小。虽然芯片制程工艺一直在不断进步,每减少十几纳米甚至几纳米都带来功耗和发热的大幅降低,但是目前芯片制程工艺已经到达了摩尔定律的末期,进入了一个瓶颈期,短期很难再有较大的提升。按照目前的情况,芯片想要有较大的性能提升非常困难,同时发热很难再大幅降低,如何提高元器件的散热功能是业内急需解决的问题。我们且来看看那些科技大牛是如何来解决发热的问题的。

 

测试及结果分析

首先我们来看一则新闻的标题,“为了给芯片降温,某手机厂商用上了双热管+硅脂”。看起来非常高大上,其实在这里双热管+硅脂就类似于电脑CPU的散热器和导热硅脂,双热管指的是导热系数较高的铜或者铝做的散热管,而导热硅脂的作用是减少散热管与芯片之间的接触热阻。导热系数与热阻是衡量物质传热性能的主要参数,导热系数越高,传热就越快,可以更快地将热量从高温物体带走,而热阻越小,对热传导的阻碍作用就越小,少一点阻碍热传导会更顺畅。可能这样说还不够一目了然,我们拿实际数据来分析一下。从笔者的测试数据来看,使用激光闪射法[1]测量铜或者铝合金的导热系数可达几百W/m·K,而使用稳态热流法[2]测试的导热硅脂的导热系数大多数在1~5W/m·K之间,导热硅脂的导热系数虽然不高,但是对接触热阻减小的贡献却是很关键的,因为空气的导热系数非常低,而导热硅脂可以填充导热管与芯片之间的微小空隙,可以使热量从更大接触面流走。下面是笔者所做测试的实际数据可供参考:

 

导热系数

图1 某铝合金样品使用激光闪射法测量的导热系数结果

 

导热系数

图2 某导热硅脂样品使用稳态热流法测量的热阻与导热系数结果

 

手机芯片散热目前更为普遍的一种解决方案是使用散热膜。石墨烯是目前炙手可热的一种新材料,具有优异的导热与导电性能,正在越来越多的应用于我们的日常生活中,而用于手机散热膜则是石墨烯较为常见的一种应用。根据笔者所做测试的结果来看,很多厂商的石墨散热膜样品的导热系数已经接近1000W/m·K,这样的数据相比传统用于散热的金属散热器具有非常大的优势。简单来说,手机芯片在玩游戏时突然负载猛升,产热也是猛增,如果不能将热量快速带走并散发出去,拿在手上就能感觉很烫了,芯片也可能存在烧毁的危险,而使用高导热的石墨散热膜一般就能很好的解决散热的问题。下面是笔者所做测试的实际数据实际数据可供参考:

 

导热系数

图3 某人工石墨样品使用激光闪射法测量的导热系数结果

 

芯片的散热方式还有很多种,电脑芯片还出现了新型的水冷散热,甚至用上了液氮制冷,听起来都有点让人咋舌。使用液氮制冷确实是夸张了点,当前使用热管或者石墨散热膜已经能够很好的使手机芯片散热降温,以后科技的发展带来更新更厉害的散热器也未可知,不过本质上还是看散热器使用材料的导热系数和热阻的高低,相信您阅读了前文所述已经有了自己的判断。

 

结论

采用激光闪射法和稳态热流法测试散热产品及元器件的导热系数是了解手机芯片散热功能的良好途径。由石墨烯制成的散热膜能极大程度提高手机芯片的散热能力。

 

参考文献

[1] ASTM E1461-13《用闪光法测定热扩散率的试验方法》.

[2] ASTM D5470-12《热传导电绝缘材料热传导性能测试方法》.

 

*** 以上内容均为原创,如需转载,请注明出处 ***

 

MTT(美信检测)是一家从事材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务的第三方实验室,网址:www.mttlab.com,联系电话:400-850-4050。

 

  • 联系我们
  • 深圳美信总部

    电话:400-850-4050

    传真:0755-2782 1672

    邮箱:marketing@mttlab.com

     

    苏州美信

    电话:400-118-1002
    传真:0512-6275 9253

    邮箱:marketing@mttlab.com

     

    上海美信

    电话:400-118-1002

    邮箱:marketing@mttlab.com

     

    东莞美信

    电话:400-116-1002

    邮箱:marketing@mttlab.com

深圳市美信检测技术股份有限公司 版权所有 粤ICP备12047550号

微信