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- 技術原理 -
17.Dec.2020

熱傳導-TC 5G手機石墨烯散熱材料的熱傳導效能評估

文章-橫幅 
 

iPhone 11 Pro

iPhone 12

Samsung Galaxy Note 20

一般電子產品包括電視, 硬碟, 電腦, 電視….熱的問題會影響所有零件作動的效能, 都必須要有效散熱的模組幫助散熱降低溫度, 要求更穩定的電腦設備如工業電腦, 伺服器, AI的伺服器, 5G的基地台, 散熱要求比上一代伺服器的散熱能力要求都呈倍數成長. 散熱模組持續創新改進, 從散熱膏的高熱傳低熱阻, 薄型散熱片的高熱傳係數, 熱管效率, 均熱板及內部液體種類, 散熱鰭片形狀設計, 風扇….會根據需要散熱的功率來選擇相對重量低, 便宜又能符合散熱方向的的選項。
 

  5G 手機用甚麼散熱材料?TIM or Graphite or Graphene
 

TIM熱介面材料普遍用於電子產品上, 熱傳係數5 W/m.k~15 W/m.k在一般桌機電腦或是手提電腦中仍是主流, 但在高運算功能且薄型的手機中早已不敷使用, 由不同時期的iphone 可以看到有些手機使用Thermal pad包括, 但新型5G i phone已大量使用石墨散熱片的散熱材料。
 

  石墨烯與石墨片散熱片現狀
 

石墨片(Graphite)散熱材料有很多種, 分為天然石墨或是人造石墨, 人造石墨片的優勢充分使用在手機及電腦產品上, 那就是異方向性的石墨散熱片, X-Y: Z的熱傳導係數比例可以是1:1 或10:1 甚至100:1 或加上背膠差距更大, 此種差異是可以控制並根據散熱模組熱傳遞方向及速度來使用。
 
最近非常普遍的石墨烯材料(Graphene), 熱傳導係數更高, 但因為石墨烯定義是在單層時才叫石墨烯, 但一般在多層薄片也常被稱石墨烯或應該成為類石墨烯, 不管是石墨片或是石墨烯, 當使用在散熱用途時, 測試得到的熱傳導係數才是最重要的產品特性, 石墨熱傳導只有在片狀連續結構或是薄片接觸很好時才會表現應有的高熱傳導係數(Thermal Conductivity)及高熱擴散係數(Thermal Diffusivity), 所以一樣外觀一樣材料, 加工方式不同會影響產品的熱傳導係數數倍, 數十倍, 甚至數百倍差異, 石墨片加工條件好也能得到非常高的熱傳導係數, 石墨烯加工不良很容易比石墨片熱傳導係數還差。
 

因為石墨烯(Graphene)很薄無法單獨使用, 通常是多層薄片直接使用, 石墨烯薄片搭配金屬, 石墨烯粉狀材料, 如果使用的是將石墨烯變成粉狀加在TIM材料內(矽膠, 矽橡膠或橡膠) 雖然會使TIM熱傳導會較一般TIM材料熱傳到更高, 但仍無法與金屬材料相比(Cu 400 W/m.k , Al 230 W/m.k), 但石墨烯鍍在鋁片或是銅片上就可以有效讓石墨烯的特性與金屬特性相加乘, 因此成為目前散熱效果最好的散熱片。此種作法在高階4G手機上使用及最新5G相關產品從手機, 到基地台, 手機體積似乎沒有繼續縮小趨勢, 但功能越來越強大, 零件密度越來越高, 散熱問題到今天為止仍是難解問題, 最新5G Iphone 12 Max , 5G手機Samsung Galaxy note 20散熱片已確定繼續使用時石墨烯+金屬(銅箔)的複合散熱片。
 


  石墨烯就是熱傳導係數2000 W/m.k嗎?當然不是!
 


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目前常見到的石墨片或石墨烯複合片熱傳導書面規格都在200~2000 W/m.k, 但幾乎所有用這種數據建立的模流分析結果都跟實際測試差異非常大, 問題來自於這些基礎材料的熱傳導都是根據理論值, 所以都假設石墨烯或PI裂解石墨片都是加工完美都是熱傳導是2000W/m.k, 實際上石墨片會因為緻密性, 空隙度, 燒結產生不同結構…使熱傳導係數低下, 石墨烯片也因為加工方式, 熱傳導都遠低於預估值, 真實值必須被直接測量而不是用理論預估。

 


  如何分析高熱傳導的石墨片及石墨烯複合散熱片?
 


5G時代仍屬於主流產品的石墨烯複合材料為(石墨烯+銅箔+膠 或石墨烯+黏著層)多層結構, 散熱大比例都是透過X-Y軸而不是Z軸散熱, 要測試熱傳導係數無法使用傳統的Hot plate 或是Laser Flash. 原因是 ASTM 5470 Hot plate法主要做絕緣高分子低熱傳材料(Electric Insulation Material), 需要有足夠的熱阻也就是材料熱傳導係數不能太高, 另外ASTM 5470只能測試Z軸單一方向熱傳導, 這兩原因導致石墨散熱材料不能用ASTM 5470的方法。
 

Laser Flash ASTM E1461假設熱傳遞的方向是Z軸, 也只能測試Z軸單一方向熱傳導的熱傳導係數, 而且需要加工鍍金屬在表面而且需要裁切成圓形, 而石墨烯片, 金屬散熱片, 石墨烯金屬複合材主要是以X-Y平面高熱傳導係數為主, Z軸方向因為貼合或鍍層間隙或是膠的關係明顯比X-Y軸低, 而薄片裁切裂痕影響材料本身熱傳導, 無法使用在石墨烯產業。
 

Hot Disk是目前5G材料熱傳導係數的的主流方法, 薄層石墨烯片材, 石墨烯複合材料(石墨烯+銅箔+膠 或 石墨烯+鋁箔+膠 或 石墨噴塗金屬複合材… )多層結構的測試方法。
 

目前科邁斯實驗室利用Hot Disk 設備Slab模式(Hot Disk專利且目前也經ISO認證標準方法ISO-22007-2) 量測過數百個的石墨片或石墨烯樣品, 而經過大量測試的各種石墨烯散熱片熱傳導99%都是遠遠地於各家書面規格值, 大約有1%少數石墨烯產品的確也能得到接近1800W/m.k的高熱傳, 並非是石墨烯就會到達高熱傳1800 W/m.k, 不管是設計散熱模組, 模流分析者或是手機設計者確保產品品質唯一方法就是測試真實散熱材料的熱傳導係數值。利用Hot Disk測試是目前唯一且最適合測得真實熱傳導係數的標準方法。
 

使用設備 Hot Disk
國際標準方法 ISO-22007-2
使用模式 Slab Method
樣品測試時間 1 sec
感測器 C7577
功率 600 mW
五大參數自動紀錄 50 sec


確保測試者可以知道自己的樣品大小是否適合, 測試一秒後確認這些五大重要參數, 確保數據可以信任。一樣式石墨烯產品熱傳導從542 W/m.k~1703 W/m.k都有。

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