隨著手機等電子產品往更輕薄、續航更久,以及向5G通訊發展,其對散熱效能的要求也越來越高。手機等電子產品中的散熱元件也越來越受關注。
目前手機中採用的散熱膜主要有天然石墨散熱膜和聚醯亞胺人工石墨膜。其中,天然石墨散熱膜產品厚度難以降低且熱導率偏低,使用日益受限。“市場上廣泛採用的是聚醯亞胺人工石墨散熱膜,其熱導率普遍600~1500W/(m·K),最優質的產品可達1950W/(m·K)左右,最薄的產品可薄至10微米。然而,該產品成本較高,每平方米的成本至少為400元,且產品加工過程良品率不高,模切過程中薄膜邊緣容易掉粉,需做包邊處理,費用不菲。”有沒有更優異的散熱薄膜材料可以解決以上問題呢?答案是石墨烯薄膜。
石墨烯是由單層碳原子排列成六邊形晶格的一種異形體(形式)。它是碳的許多其他異形體的基本結構元素,如石墨、鑽石、碳、碳奈米管和富勒烯。石墨烯有許多不同尋常的性質,它能有效地傳導熱量和電,它的導電性也非常高,而且幾乎是透明的。
導熱材料簡介
隨著電子器件以及產品向高整合度、高運算領域的發展,耗散功率隨之倍增,散熱日益成為一個亟待解決的難題。傳統的導熱材料大部分為金屬(Ag、Cu、Al等)、金屬氧化物(Fe2O3、BeO、Al2O3等)、以及其他非金屬材料(石墨、炭黑、AlN等)。一直以來,在電子器件和產品散熱等領域,銅質、鋁質等傳統散熱材料都被廣泛應用;近年來興起的石墨烯材料,憑藉其優異的導熱特性、快速散熱特性(與空氣對流)以及質輕柔韌等特性,被認為是一類極具競爭力的散熱材料。表1為應用廣泛的金屬材料以及新材料的導熱資料。
石墨烯散熱原理
在熱力學中,石墨烯散熱膜的散熱包括傳導Conduction、對流Convection和輻射Radiation等幾種方式,如圖1所示。具體舉例而言,CPU散熱片底座與CPU直接接觸帶走熱量的方式就屬於熱傳導;常見的散熱風扇帶動氣體流動即熱對流;熱輻射指的是依靠射線輻射傳遞熱量。一般情況下(400攝氏度以下),散熱系統中主要依賴的還是熱傳導和熱對流,其中熱傳導主要與散熱器材料的導熱係數和熱容有關,熱對流則主要與散熱器的散熱面積有關。
散熱系統需要結合具體的應用環境進行整體考慮,包括吸熱能力、導熱能力和散熱能力等方面;考慮到實際應用受到眾多條件的制約,需要快速建立熱平衡才能發揮最大的散熱效應。