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眾所周知，隨著基礎設施的大規(guī)模建設和5G服務的快速推廣，5G智能手機被認為是未來幾年最大的市場機遇之一。與此同時，智能手機處理器算力正在迅速提高，這是先進半導體制程的主要推動力。

在5G時代，大數(shù)據(jù)運算和高清影像處理已成為智能手機的高頻應用。一些5G智能手機的計算能力甚至超過了中低端的PC機。智能手機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，智能手機的輕薄外形意味著它不可能有足夠的空間來容納常規(guī)的散熱器，傳統(tǒng)的散熱方案在5G智能手機上面臨抓襟見肘的困境。

5G智能手機散熱設計的現(xiàn)狀

如今，越來越多的手機開始推廣其新品的散熱設計。5G智能手機的散熱材料從單純的石墨導熱膜、導熱硅膠等發(fā)展到銅箔、石墨烯膜、熱管、均熱板等。在電競手機中，甚至內置了渦輪微型風扇，進行主動散熱，小米等品牌出品的手機外掛半導體制冷散熱器在游戲及直播等用戶群體的喜愛。

冰封散熱背夾 Pro

從手機品牌商在公開渠道發(fā)布的信息了解到，散熱問題是他們開發(fā)5G智能手機的難點之一，功耗往往超乎了開發(fā)者的預期。各品牌的第一代5G手機都在散熱設計上應用了新型的材料，并有將高規(guī)格的散熱堆料延續(xù)至新機種的趨勢。

石墨烯散熱技術首次出現(xiàn)在華為第一款5G智能手機Mate20X上，后續(xù)華為發(fā)布的P30、P40、Mate30、Mate40等系列5G智能手機，繼續(xù)使用石墨烯散熱膜。2019年，三星在首款5G智能手機Galaxy S10上應用了新型的超薄均溫板（VC），促進了這種在PC產品上應用的兩相液冷散熱技術大規(guī)模應用于5G智能手機。業(yè)界認為，隨著5G網絡覆蓋率的不斷加大，大數(shù)據(jù)計算應用的占時不斷增加，5G智能手機的熱功耗增長預期沒有改變，將持續(xù)促進對新型散熱材料的需求。

除了電競游戲手機得益于特殊的產品定位及外形設計，能夠在機身中內置微型散熱風扇，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品——小米手機2。它那多彩的機身設計、在當時來說性能頂級的四核處理器，以及相比前代大幅進步的顯示和拍照效果，都瞬間為其吸引了大量消費者的關注。而伴隨著小米手機2的紅火，它所使用的“石墨導熱膜”也成為了被愛好者所追捧的“散熱黑科技”。可以說，雖然小米手機2并不是第一款對手機主控芯片進行專門散熱設計的產品，但它的散熱設計之所以會成為消費者關注的重點，實際上也反映出了早在智能手機還處于雙核或四核的時代，不少用戶就已經關注到了手機的發(fā)熱量越來越大，并且開始影響到用戶體驗的這一事實。

從小米手機2開始，我們可以看到越來越多的手機開始推廣其新產品的散熱設計。這些設計已經逐漸從單純的石墨導熱膜慢慢發(fā)展到銅箔-石墨復合材料、熱管、均熱板，甚至到了如今的部分產品還開始直接安置渦輪風扇，或是在機身外部掛載半導體主動制冷器。

這種設計散熱好嗎?當然是很好的，因為只有通過風扇直接主動排出熱風，或者通過外置制冷器降低整個機身從外到內的溫度，才能算得上是真正意義的“散熱”。否則，無論在機身內堆積多少石墨片，或使用多大的均熱板，熱量實際上仍在機身內，只是分布更均勻而已。

內部導熱堆料再厲害，最后還得靠外殼散熱

正因如此，對于大部分因為厚度、美觀，或是產品定位等因素而不能使用主動散熱設計的機型來說，它們的“散熱設計”也就始終跳不出三大固定的思路。即通過讓芯片降頻來減少熱量的產生，通過更大機身面積來加快外殼對空氣的熱輻射，以及通過導熱率更高的外殼材料，來加快機身對于使用者手掌的熱傳導速度。

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

或許正是因為看到了傳統(tǒng)智能手機不斷提高的性能，與始終難有徹底突破的散熱設計之間的矛盾，一家名為IDTechEx的研究組織近日發(fā)布報告稱，未來主流智能手機散熱設計發(fā)展方向，很可能會轉向被動式風冷與隔熱材料的組合。即在機身內部設計能讓空氣流通的風道，并通過在外殼上設計細小的縫隙，來實現(xiàn)內外冷熱空氣的交換，同時在邊框和背板內部施加諸如特殊隔熱膜、隔熱氣凝膠之類的材料，確保機身內部的高溫不再通過中框和背板進行傳導——也就是說，不再會有“燙手”的煩惱。

“放棄外殼散熱，全面轉向風冷”

大部分5G智能手機上采用的散熱手段，設計思路均是快速擴散局部熱量（熱點的熱量），而熱量的最終耗散大部分依靠機身的自然空氣對流散熱及人手的熱傳導。

在低功耗的應用場景下，熱量的耗散速度尚能滿足整機的熱控制要求，但在長時間的高功耗的使用場景，高發(fā)熱量將導致手機外殼溫度超出人手可以接受的握持溫度，尤其是高導熱率的金屬中框將燙得無法忍受。

認識到以上的現(xiàn)狀，研究機構IDTechEx認為5G智能手機性能的提升與難有突破的散熱設計之間存在矛盾。IDTechEx發(fā)布報告稱，未來智能手機散熱設計發(fā)展方向，很可能會轉向被動式風冷與隔熱材料的組合。

這種設計思路是在機身內部設計能讓空氣流通的風道，并通過在外殼上設計細小的縫隙，來實現(xiàn)內外冷熱空氣的交換，同時在邊框和背板內部布置諸如特殊隔熱膜、隔熱氣凝膠之類的材料，確保機身內部的高溫不再通過中框和背板進行傳導——也就是說，不再會有“燙手”的煩惱。

雖然乍聽之下，這種“放棄外殼散熱，全面轉向風冷”的思路非常離經叛道，但事實上它所涉及到的基本設計和特殊材料，在消費電子領域早已不再新奇。努比亞紅魔系列游戲手機，使用的就是在背板上開防水導風孔，在機身內置散熱風扇的風冷設計；Gore工業(yè)設計的隔熱薄膜材料（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應用多年，取得了很好的效果。針對5G智能手機，Gore再次提供了專門針對mmWave 5G天線的高級隔熱材料，用來降低天線熱點位置的邊框溫度，改善用戶體驗。

我們認為IDTechEx報告分享的智能手機未來散熱設計方向，其出發(fā)點是建立在用戶對手機良好體驗的基本訴求上，為智能手機的性能與散熱設計之間的矛盾提供了新穎的設計思路。

由于智能手機內部空間緊湊，建立足夠的空氣通道是一個巨大的挑戰(zhàn)。自然冷熱空氣熱交換不足于對付日益漲長的發(fā)熱量預期。如何構建有效的空氣流道，并加速空氣交換，將是極具挑戰(zhàn)的熱設計課題。