熱傳導-TC 5G手機石墨烯散熱材料的熱傳導效能評估【更新日期: 2023/12/20】
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。
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!
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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