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眾所周知，隨著基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)和5G服務(wù)的快速推廣，5G智能手機(jī)被認(rèn)為是未來(lái)幾年最大的市場(chǎng)機(jī)遇之一。與此同時(shí)，智能手機(jī)處理器算力正在迅速提高，這是先進(jìn)半導(dǎo)體制程的主要推動(dòng)力。

在5G時(shí)代，大數(shù)據(jù)運(yùn)算和高清影像處理已成為智能手機(jī)的高頻應(yīng)用。一些5G智能手機(jī)的計(jì)算能力甚至超過(guò)了中低端的PC機(jī)。智能手機(jī)處理器的工作頻率將突破2.0GHz，處理器中的晶體管數(shù)量將大幅增加。在超高熱流密度下，散熱與芯片性能之間的矛盾日益突出。

不幸的是，智能手機(jī)的輕薄外形意味著它不可能有足夠的空間來(lái)容納常規(guī)的散熱器，傳統(tǒng)的散熱方案在5G智能手機(jī)上面臨抓襟見(jiàn)肘的困境。

5G智能手機(jī)散熱設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

如今，越來(lái)越多的手機(jī)開(kāi)始推廣其新品的散熱設(shè)計(jì)。5G智能手機(jī)的散熱材料從單純的石墨導(dǎo)熱膜、導(dǎo)熱硅膠等發(fā)展到銅箔、石墨烯膜、熱管、均熱板等。在電競(jìng)手機(jī)中，甚至內(nèi)置了渦輪微型風(fēng)扇，進(jìn)行主動(dòng)散熱，小米等品牌出品的手機(jī)外掛半導(dǎo)體制冷散熱器在游戲及直播等用戶群體的喜愛(ài)。

冰封散熱背夾 Pro

從手機(jī)品牌商在公開(kāi)渠道發(fā)布的信息了解到，散熱問(wèn)題是他們開(kāi)發(fā)5G智能手機(jī)的難點(diǎn)之一，功耗往往超乎了開(kāi)發(fā)者的預(yù)期。各品牌的第一代5G手機(jī)都在散熱設(shè)計(jì)上應(yīng)用了新型的材料，并有將高規(guī)格的散熱堆料延續(xù)至新機(jī)種的趨勢(shì)。

石墨烯散熱技術(shù)首次出現(xiàn)在華為第一款5G智能手機(jī)Mate20X上，后續(xù)華為發(fā)布的P30、P40、Mate30、Mate40等系列5G智能手機(jī)，繼續(xù)使用石墨烯散熱膜。2019年，三星在首款5G智能手機(jī)Galaxy S10上應(yīng)用了新型的超薄均溫板（VC），促進(jìn)了這種在PC產(chǎn)品上應(yīng)用的兩相液冷散熱技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于5G智能手機(jī)。業(yè)界認(rèn)為，隨著5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的不斷加大，大數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)用的占時(shí)不斷增加，5G智能手機(jī)的熱功耗增長(zhǎng)預(yù)期沒(méi)有改變，將持續(xù)促進(jìn)對(duì)新型散熱材料的需求。

除了電競(jìng)游戲手機(jī)得益于特殊的產(chǎn)品定位及外形設(shè)計(jì)，能夠在機(jī)身中內(nèi)置微型散熱風(fēng)扇，然而這也一定程度上犧牲了輕薄度及靜音性。

“小米2的石墨導(dǎo)熱膜”

2012年8月16日，剛剛創(chuàng)業(yè)兩年的小米推出了新一代的旗艦產(chǎn)品——小米手機(jī)2。它那多彩的機(jī)身設(shè)計(jì)、在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)性能頂級(jí)的四核處理器，以及相比前代大幅進(jìn)步的顯示和拍照效果，都瞬間為其吸引了大量消費(fèi)者的關(guān)注。而伴隨著小米手機(jī)2的紅火，它所使用的“石墨導(dǎo)熱膜”也成為了被愛(ài)好者所追捧的“散熱黑科技”。可以說(shuō)，雖然小米手機(jī)2并不是第一款對(duì)手機(jī)主控芯片進(jìn)行專門(mén)散熱設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，但它的散熱設(shè)計(jì)之所以會(huì)成為消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)，實(shí)際上也反映出了早在智能手機(jī)還處于雙核或四核的時(shí)代，不少用戶就已經(jīng)關(guān)注到了手機(jī)的發(fā)熱量越來(lái)越大，并且開(kāi)始影響到用戶體驗(yàn)的這一事實(shí)。

從小米手機(jī)2開(kāi)始，我們可以看到越來(lái)越多的手機(jī)開(kāi)始推廣其新產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸從單純的石墨導(dǎo)熱膜慢慢發(fā)展到銅箔-石墨復(fù)合材料、熱管、均熱板，甚至到了如今的部分產(chǎn)品還開(kāi)始直接安置渦輪風(fēng)扇，或是在機(jī)身外部掛載半導(dǎo)體主動(dòng)制冷器。

這種設(shè)計(jì)散熱好嗎?當(dāng)然是很好的，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)風(fēng)扇直接主動(dòng)排出熱風(fēng)，或者通過(guò)外置制冷器降低整個(gè)機(jī)身從外到內(nèi)的溫度，才能算得上是真正意義的“散熱”。否則，無(wú)論在機(jī)身內(nèi)堆積多少石墨片，或使用多大的均熱板，熱量實(shí)際上仍在機(jī)身內(nèi)，只是分布更均勻而已。

內(nèi)部導(dǎo)熱堆料再厲害，最后還得靠外殼散熱

正因如此，對(duì)于大部分因?yàn)楹穸?、美觀，或是產(chǎn)品定位等因素而不能使用主動(dòng)散熱設(shè)計(jì)的機(jī)型來(lái)說(shuō)，它們的“散熱設(shè)計(jì)”也就始終跳不出三大固定的思路。即通過(guò)讓芯片降頻來(lái)減少熱量的產(chǎn)生，通過(guò)更大機(jī)身面積來(lái)加快外殼對(duì)空氣的熱輻射，以及通過(guò)導(dǎo)熱率更高的外殼材料，來(lái)加快機(jī)身對(duì)于使用者手掌的熱傳導(dǎo)速度。

顯然，這三種方法都有明顯的缺點(diǎn)。例如,頻繁且嚴(yán)重的降頻會(huì)影響流暢度，更大的機(jī)身會(huì)影響手機(jī)握持的舒適度，而過(guò)高的外殼熱傳導(dǎo)性能（比如早期某些全金屬的旗艦機(jī)型）則會(huì)令手機(jī)出現(xiàn)明顯的“發(fā)燙”現(xiàn)象，操作不舒適不說(shuō)，甚至還會(huì)引起用戶額外的安全性擔(dān)憂。

或許正是因?yàn)榭吹搅藗鹘y(tǒng)智能手機(jī)不斷提高的性能，與始終難有徹底突破的散熱設(shè)計(jì)之間的矛盾，一家名為IDTechEx的研究組織近日發(fā)布報(bào)告稱，未來(lái)主流智能手機(jī)散熱設(shè)計(jì)發(fā)展方向，很可能會(huì)轉(zhuǎn)向被動(dòng)式風(fēng)冷與隔熱材料的組合。即在機(jī)身內(nèi)部設(shè)計(jì)能讓空氣流通的風(fēng)道，并通過(guò)在外殼上設(shè)計(jì)細(xì)小的縫隙，來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外冷熱空氣的交換，同時(shí)在邊框和背板內(nèi)部施加諸如特殊隔熱膜、隔熱氣凝膠之類的材料，確保機(jī)身內(nèi)部的高溫不再通過(guò)中框和背板進(jìn)行傳導(dǎo)——也就是說(shuō)，不再會(huì)有“燙手”的煩惱。

“放棄外殼散熱，全面轉(zhuǎn)向風(fēng)冷”

大部分5G智能手機(jī)上采用的散熱手段，設(shè)計(jì)思路均是快速擴(kuò)散局部熱量（熱點(diǎn)的熱量），而熱量的最終耗散大部分依靠機(jī)身的自然空氣對(duì)流散熱及人手的熱傳導(dǎo)。

在低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景下，熱量的耗散速度尚能滿足整機(jī)的熱控制要求，但在長(zhǎng)時(shí)間的高功耗的使用場(chǎng)景，高發(fā)熱量將導(dǎo)致手機(jī)外殼溫度超出人手可以接受的握持溫度，尤其是高導(dǎo)熱率的金屬中框?qū)C得無(wú)法忍受。

認(rèn)識(shí)到以上的現(xiàn)狀，研究機(jī)構(gòu)IDTechEx認(rèn)為5G智能手機(jī)性能的提升與難有突破的散熱設(shè)計(jì)之間存在矛盾。IDTechEx發(fā)布報(bào)告稱，未來(lái)智能手機(jī)散熱設(shè)計(jì)發(fā)展方向，很可能會(huì)轉(zhuǎn)向被動(dòng)式風(fēng)冷與隔熱材料的組合。

這種設(shè)計(jì)思路是在機(jī)身內(nèi)部設(shè)計(jì)能讓空氣流通的風(fēng)道，并通過(guò)在外殼上設(shè)計(jì)細(xì)小的縫隙，來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外冷熱空氣的交換，同時(shí)在邊框和背板內(nèi)部布置諸如特殊隔熱膜、隔熱氣凝膠之類的材料，確保機(jī)身內(nèi)部的高溫不再通過(guò)中框和背板進(jìn)行傳導(dǎo)——也就是說(shuō)，不再會(huì)有“燙手”的煩惱。

雖然乍聽(tīng)之下，這種“放棄外殼散熱，全面轉(zhuǎn)向風(fēng)冷”的思路非常離經(jīng)叛道，但事實(shí)上它所涉及到的基本設(shè)計(jì)和特殊材料，在消費(fèi)電子領(lǐng)域早已不再新奇。努比亞紅魔系列游戲手機(jī)，使用的就是在背板上開(kāi)防水導(dǎo)風(fēng)孔，在機(jī)身內(nèi)置散熱風(fēng)扇的風(fēng)冷設(shè)計(jì)；Gore工業(yè)設(shè)計(jì)的隔熱薄膜材料（二氧化硅氣凝膠顆粒）在戴爾XPS筆記本電腦的掌托部位已經(jīng)應(yīng)用多年，取得了很好的效果。針對(duì)5G智能手機(jī)，Gore再次提供了專門(mén)針對(duì)mmWave 5G天線的高級(jí)隔熱材料，用來(lái)降低天線熱點(diǎn)位置的邊框溫度，改善用戶體驗(yàn)。

我們認(rèn)為IDTechEx報(bào)告分享的智能手機(jī)未來(lái)散熱設(shè)計(jì)方向，其出發(fā)點(diǎn)是建立在用戶對(duì)手機(jī)良好體驗(yàn)的基本訴求上，為智能手機(jī)的性能與散熱設(shè)計(jì)之間的矛盾提供了新穎的設(shè)計(jì)思路。

由于智能手機(jī)內(nèi)部空間緊湊，建立足夠的空氣通道是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。自然冷熱空氣熱交換不足于對(duì)付日益漲長(zhǎng)的發(fā)熱量預(yù)期。如何構(gòu)建有效的空氣流道，并加速空氣交換，將是極具挑戰(zhàn)的熱設(shè)計(jì)課題。