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絕緣導熱透波膜材在5G毫米波通訊電子產(chǎn)品元器件散熱設計的探討?

向欣電子 ? 2021-12-13 11:40 ? 次閱讀
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導語:5G時代巨大數(shù)據(jù)流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求,器件功耗大幅提升的同時,引起了這些部位發(fā)熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域最為有效的散熱材料,具有不可替代性。

本產(chǎn)品是國內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)的高質(zhì)量二維氮化硼納米片,成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜,具有透電磁波、高導熱、高柔性、低介電系數(shù)、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當前我國電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問題,擁有國際先進的熱管理TIM解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù),是國內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型高科技產(chǎn)品。

什么是5G?

定義

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“5G”一詞通常用于指代第5代移動網(wǎng)絡。5G是繼之前的標準(1G、2G、3G、4G 網(wǎng)絡)之后的最新全球無線標準,并為數(shù)據(jù)密集型應用提供更高的帶寬。除其他好處外,5G有助于建立一個新的、更強大的網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯(lián)網(wǎng)”的設備爆炸式增長的連接——該網(wǎng)絡不僅可以連接人們通常使用的端點,還可以連接一系列新設備,包括各種家用物品和機器。

公認的5G優(yōu)勢是:

?具有更高可用性和容量的更可靠的網(wǎng)絡

?更高的峰值數(shù)據(jù)速度(多Gbps)

?超低延遲

與前幾代網(wǎng)絡不同,5G網(wǎng)絡利用在26GHz 至40GHz范圍內(nèi)運行的高頻波長(通常稱為毫米波)。由于干擾建筑物、樹木甚至雨等物體,在這些高頻下會遇到傳輸損耗,因此需要更高功率和更高效的電源

5G部署最初可能會以增強型移動寬帶應用為中心,滿足以人為中心的多媒體內(nèi)容、服務和數(shù)據(jù)接入需求。增強型移動寬帶用例將包括全新的應用領(lǐng)域、性能提升的需求和日益無縫的用戶體驗,超越現(xiàn)有移動寬帶應用所支持的水平。

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毫米波是關(guān)鍵技術(shù)

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毫米波通信是未來無線移動通信重要發(fā)展方向之一,目前已經(jīng)在大規(guī)模天線技術(shù)、低比特量化ADC、低復雜度信道估計技術(shù)、功放非線性失真等關(guān)鍵技術(shù)上有了明顯研究進展。但是隨著新一代無線通信對無線寬帶通信網(wǎng)絡提出新的長距離、高移動、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應用場景的需求,針對毫米波無線通信的理論研究與系統(tǒng)設計面臨重大挑戰(zhàn),開展面向長距離、高移動毫米波無線寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究,已經(jīng)成為新一代寬帶移動通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優(yōu)勢:毫米波由于其頻率高、波長短,具有如下特點:

頻譜寬,配合各種多址復用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量,適用于高速多媒體傳輸業(yè)務;可靠性高,較高的頻率使其受干擾很少,能較好抵抗雨水天氣的影響,提供穩(wěn)定的傳輸信道;方向性好,毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大,使得傳輸波束較窄,增大了竊聽難度,適合短距離點對點通信;波長極短,所需的天線尺寸很小,易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。

毫米波的缺點:毫米波也有一個主要缺點,那就是不容易穿過建筑物或者障礙物,并且可以被葉子和雨水吸收,對材料非常敏感。這也是為什么5G網(wǎng)絡將會采用小基站的方式來加強傳統(tǒng)的蜂窩塔。

什么是TIM熱管理?

定義

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熱管理?顧名思義,就是對“熱“進行管理,英文是:Thermal Management。熱管理系統(tǒng)廣泛應用于國民經(jīng)濟以及國防等各個領(lǐng)域,控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲與轉(zhuǎn)換。先進的熱管理材料構(gòu)成了熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ),而熱傳導率則是所有熱管理材料的核心技術(shù)指標。

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導熱率,又稱導熱系數(shù),反映物質(zhì)的熱傳導能力,按傅立葉定律,其定義為單位溫度梯度(在1m長度內(nèi)溫度降低1K)在單位時間內(nèi)經(jīng)單位導熱面所傳遞的熱量。熱導率大,表示物體是優(yōu)良的熱導體;而熱導率小的是熱的不良導體或為熱絕緣體。

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5G手機以及硬件終端產(chǎn)品的小型化、集成化和多功能化,毫米波穿透力差,電子設備和許多其他高功率系統(tǒng)的性能和可靠性受到散熱問題的嚴重威脅。要解決這個問題,散熱材料必須在導熱性、厚度、靈活性和堅固性方面獲得更好的性能,以匹配散熱系統(tǒng)的復雜性和高度集成性。

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全球智能手機、平板電腦行業(yè)步入 5G 時代,隨著智能手機對輕薄化、小型化設計的追求,手機內(nèi)部集成電路芯片和電子元器件體積不斷縮小,其功率密度卻快速增加;手機CPU頻率正迅速提升,同時封裝密度也越來越高、機身越來越薄,其功率密度卻快速增加,但由于手機硬件配置的逐步提高、CPU多核高性能的升級,以及通信速率的提升,散熱問題已經(jīng)成為電子設備亟需解決的問題,進而驅(qū)動對高散熱性能材料的需求。

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一旦散熱問題處理得不好,就會造成智能手機卡頓、運行程序慢、燒壞主板甚至造成爆炸的危險,所以散熱將成為整個智能手機行業(yè)面臨的主要問題之一。

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散熱原理包括熱傳導、熱對流熱輻射,其中熱傳導、熱對流為主。熱傳導是直接接觸帶走熱量,如電腦CPU散熱片底座與CPU直接接觸帶走熱量;常用電風扇原理是熱對流,散熱風扇帶動氣體流動進行散熱;熱輻射指的是依靠射線輻射傳遞熱量。其中熱傳導和熱對流是散熱系統(tǒng)主要方式,熱傳導主要與散熱器材料的導熱系數(shù)和熱容有關(guān),熱對流則主要與散熱器的散熱面積有關(guān)。

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根據(jù)熱傳導和熱對流方式不同,散熱分為主動散熱被動散熱兩種方式。通常我們所說的被動散熱,就是cpu只采用的是散熱片,其氣流通常由側(cè)面安裝的風扇完成推動工作;主動式散熱是我們常見的方式,就是在散熱片上面還加裝了一個風機。目前臺式電腦和筆記本電腦采用主動與被動結(jié)合的方式散熱,手機終端、平板電腦等輕薄型消費電子受內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)限制,多采用被動散熱方案。材料種類及其特點在智能手機上主要的發(fā)熱源包括這五個方面:主要芯片工作、LCD 驅(qū)動、電池釋放及充電、 CCM 驅(qū)動芯片PCB 結(jié)構(gòu)設計導熱散熱量不均勻。fa4c2aa0-5b5e-11ec-a27f-dac502259ad0.png

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5G毫米波通訊產(chǎn)品電子元器件散熱設計の探討

1.元器件布局減小熱阻的措施:
(1)元器件安裝在最佳自然散熱的位置上;
(2)元器件熱流通道要短、橫截面要大和通道中無絕熱或隔熱物;
(3)發(fā)熱元件分散安裝;

2.元器件排放減少熱影響:
(1)有通風口的機箱內(nèi)部,電路安裝應服從空氣流動方向:進風口→放大電路→邏輯電路→敏感電路→集成電路→小功率電阻電路→有發(fā)熱元件電路→出風口,構(gòu)成良好散熱通道;
(2)發(fā)熱元器件要在機箱上方,熱敏感元器件在機箱下方,利用機箱金屬殼體作散熱裝置。

3.合理布局準則:
(1)將發(fā)熱量大的元件安裝在條件好的地方,如靠近通風孔;
(2)將熱敏元件安裝在熱源下面。零件安裝方向橫向面與風向平行,利于熱對流。
(3)在自然對流中,熱流通道盡可能短,橫截面積應盡量大;
(4)冷卻氣流流速不大時,元件按叉排方式排列,提高氣流紊流程度、增加散熱效果;
(5)發(fā)熱元件不安裝在機殼上時,與機殼之間的距離應>35~40cm

4.冷卻內(nèi)部部件的空氣進口須加過濾裝置,且不必拆開機殼即可更換或清洗。

5.設計上避免器件工作熱環(huán)境的穩(wěn)定性,以減輕熱循環(huán)與沖擊而引起的溫度應力變化。溫度變化率不超過1℃/min,溫度變化范圍不超過20℃,此指標要求可根據(jù)產(chǎn)品不同由廠家自行調(diào)整。
6.元器件的冷卻劑及冷卻方法應與所選冷卻系統(tǒng)及元件相適應,不會因此產(chǎn)生化學反應或電解腐蝕。

7.冷卻系統(tǒng)的電功率一般為所需冷卻熱功率的3%一6%;

8.冷卻時,氣流中含有水分,溫差過大,會產(chǎn)生凝露或附著,防止水份及其它污染物等導致電氣短路、電氣間隙減小或發(fā)生腐蝕。
措施:
a)冷卻前后溫差不要過大;
b)溫差過大會產(chǎn)生凝露的部位,水分不會造成堵塞或積水,如果有積水,積水部位的材料不會發(fā)生腐蝕;
c)對裸露的導電金屬加熱縮套管或其他遮擋絕緣措施;

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