邱琦

（深圳市美信檢測技術股份有限公司，深圳寶安，518108）

摘要：本文分別采用激光閃射法和穩態熱流法測試導熱硅脂和石墨烯的導熱系數，并結合其對手機芯片散熱的作用機理進行分析。結果表明，采用石墨烯作為手機散熱膜可極大程度提高手機芯片的散熱功能。

關鍵詞：手機芯片；導熱系數；激光閃射法；穩態熱流法；石墨烯

引言

當今世界，手機已經成為了人們生活中必不可少的一部分，科技日新月異，手機芯片的性能竟有著趕超電腦芯片之勢。然而，芯片性能的提升不可避免的帶來了發熱過大等問題，去年的某旗艦芯片由于發熱巨大不說“暖手寶”，簡直是“燙手山芋”。芯片性能很大程度上依賴于集成晶體管的數量，通常，在同樣大小的封裝芯片上使用16nm的工藝可以比28nm的工藝集成更多的晶體管，所以計算性能更高，而晶體管間的間距可以更多，發熱會更小。雖然芯片制程工藝一直在不斷進步，每減少十幾納米甚至幾納米都帶來功耗和發熱的大幅降低，但是目前芯片制程工藝已經到達了摩爾定律的末期，進入了一個瓶頸期，短期很難再有較大的提升。按照目前的情況，芯片想要有較大的性能提升非常困難，同時發熱很難再大幅降低，如何提高元器件的散熱功能是業內急需解決的問題。我們且來看看那些科技大牛是如何來解決發熱的問題的。

測試及結果分析

首先我們來看一則新聞的標題，“為了給芯片降溫，某手機廠商用上了雙熱管+硅脂”。看起來非常高大上，其實在這里雙熱管+硅脂就類似于電腦CPU的散熱器和導熱硅脂，雙熱管指的是導熱系數較高的銅或者鋁做的散熱管，而導熱硅脂的作用是減少散熱管與芯片之間的接觸熱阻。導熱系數與熱阻是衡量物質傳熱性能的主要參數，導熱系數越高，傳熱就越快，可以更快地將熱量從高溫物體帶走，而熱阻越小，對熱傳導的阻礙作用就越小，少一點阻礙熱傳導會更順暢。可能這樣說還不夠一目了然，我們拿實際數據來分析一下。從筆者的測試數據來看，使用激光閃射法^[1]測量銅或者鋁合金的導熱系數可達幾百W/m·K，而使用穩態熱流法^[2]測試的導熱硅脂的導熱系數大多數在1~5W/m·K之間，導熱硅脂的導熱系數雖然不高，但是對接觸熱阻減小的貢獻卻是很關鍵的，因為空氣的導熱系數非常低，而導熱硅脂可以填充導熱管與芯片之間的微小空隙，可以使熱量從更大接觸面流走。下面是筆者所做測試的實際數據可供參考：

圖1 某鋁合金樣品使用激光閃射法測量的導熱系數結果

圖2 某導熱硅脂樣品使用穩態熱流法測量的熱阻與導熱系數結果

手機芯片散熱目前更為普遍的一種解決方案是使用散熱膜。石墨烯是目前炙手可熱的一種新材料，具有優異的導熱與導電性能，正在越來越多的應用于我們的日常生活中，而用于手機散熱膜則是石墨烯較為常見的一種應用。根據筆者所做測試的結果來看，很多廠商的石墨散熱膜樣品的導熱系數已經接近1000W/m·K，這樣的數據相比傳統用于散熱的金屬散熱器具有非常大的優勢。簡單來說，手機芯片在玩游戲時突然負載猛升，產熱也是猛增，如果不能將熱量快速帶走并散發出去，拿在手上就能感覺很燙了，芯片也可能存在燒毀的危險，而使用高導熱的石墨散熱膜一般就能很好的解決散熱的問題。下面是筆者所做測試的實際數據實際數據可供參考：

圖3 某人工石墨樣品使用激光閃射法測量的導熱系數結果

芯片的散熱方式還有很多種，電腦芯片還出現了新型的水冷散熱，甚至用上了液氮制冷，聽起來都有點讓人咋舌。使用液氮制冷確實是夸張了點，當前使用熱管或者石墨散熱膜已經能夠很好的使手機芯片散熱降溫，以后科技的發展帶來更新更厲害的散熱器也未可知，不過本質上還是看散熱器使用材料的導熱系數和熱阻的高低，相信您閱讀了前文所述已經有了自己的判斷。

結論

采用激光閃射法和穩態熱流法測試散熱產品及元器件的導熱系數是了解手機芯片散熱功能的良好途徑。由石墨烯制成的散熱膜能極大程度提高手機芯片的散熱能力。

參考文獻

[1] ASTM E1461-13《用閃光法測定熱擴散率的試驗方法》.

[2] ASTM D5470-12《熱傳導電絕緣材料熱傳導性能測試方法》.

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