中國粉體網(wǎng)訊 散熱，始終是令手機(jī)廠商頭疼的一大難題。
2018年，華為公司發(fā)布了Mate20系列手機(jī)，并在Mate20X上使用了一項(xiàng)“黑科技”——石墨烯導(dǎo)熱膜，華為Mate20X在多款游戲中均可達(dá)到接近滿幀的表現(xiàn)，游戲體驗(yàn)極佳。據(jù)官方實(shí)測(cè)顯示，1h游戲后，華為Mate20X的正反面溫度分別只有37.4℃、38.1℃，明顯低于三星Note 9和iPhone XS Max。這是全球第1次在手機(jī)上使用了石墨烯導(dǎo)熱膜，之后，小米、榮耀、OPPO等手機(jī)品牌聞風(fēng)而動(dòng)，相繼在自家高端機(jī)上采用了該“黑科技”。
除華為外，多款手機(jī)采用石墨烯導(dǎo)熱膜
01.手機(jī)越來越怕熱？
隨著5G時(shí)代的到來，信息技術(shù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域快速發(fā)展，單一電子設(shè)備上集成的功能逐漸增加并且復(fù)雜化，電子產(chǎn)品體積縮小帶來功率密度迅速提升，對(duì)散熱材料的散熱性能及穩(wěn)定性提出了更高要求。
在手機(jī)領(lǐng)域，5G手機(jī)朝著高性能、高集成度、高顯示像素、輕薄化等方向不斷演變，芯片處理器、屏幕、射頻前端、攝像頭、電池及充電等模塊實(shí)現(xiàn)全面升級(jí)，散熱系統(tǒng)決不能馬虎。
手機(jī)的散熱需求不斷提高
此外，折疊創(chuàng)新已經(jīng)成為智能手機(jī)發(fā)展新趨勢(shì)，備受矚目的折疊屏手機(jī)有望逐步成為高端智能手機(jī)市場的標(biāo)志并逐漸普及。石墨烯導(dǎo)熱膜因出色的柔韌性、耐彎折等特性，在折疊屏手機(jī)領(lǐng)域中極具應(yīng)用前景，已成為折疊屏手機(jī)的理想散熱材料。在堆疊空間有限的情況下，通過耐彎折石墨烯膜將轉(zhuǎn)軸兩側(cè)的散熱系統(tǒng)相連接，系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）一側(cè)的熱量可經(jīng)此通道傳導(dǎo)至散熱壓力更小的另一側(cè)，由此實(shí)現(xiàn)更加均衡且更強(qiáng)的散熱能力。
以往，手機(jī)中廣泛應(yīng)用的散熱材料有石墨片、導(dǎo)熱界面材料等，受制于其導(dǎo)熱系數(shù)的極限，目前已經(jīng)很難滿足當(dāng)今手機(jī)更高的散熱需求。
02.石墨烯導(dǎo)熱膜，厲害角色
2004年，Andrew Geim和Konstantin Novoselov等采用機(jī)械剝離法從鱗片石墨中剝離出單層石墨烯，宣告了“新材料之王”的問世，并揭示了石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能、出色的力學(xué)性能、極高的導(dǎo)熱性等新奇物理性質(zhì)。
石墨烯的應(yīng)用性能
石墨烯是由單層碳原子經(jīng)電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，石墨烯的熱傳導(dǎo)主要由聲子貢獻(xiàn)，石墨烯在平面方向由強(qiáng)化學(xué)鍵C-C鍵構(gòu)成，并且由于碳原子較輕，具有極高的聲速，從而在平面方向具有極高的熱導(dǎo)率，單層石墨烯理論導(dǎo)熱率高達(dá)5300W/(m·K)。Andrew Geim說過：“石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱率高，化學(xué)結(jié)構(gòu)又十分穩(wěn)定，是一種很理想用于導(dǎo)熱散熱的新型材料”。
石墨烯導(dǎo)熱膜應(yīng)用效果
石墨烯導(dǎo)熱膜工作原理是以石墨烯熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)的特性為基礎(chǔ)，將電子器件內(nèi)部熱源點(diǎn)的熱量迅速導(dǎo)向整個(gè)膜面然后散出�；谑⿲�(dǎo)熱膜在平面方向上的高熱導(dǎo)率特點(diǎn)，可用作電子元件中的散熱器，貼合在易發(fā)熱的電子元件表面，實(shí)現(xiàn)將熱源產(chǎn)生的熱量均勻分散，達(dá)到增加散熱面積，提高散熱效率的效果。
手機(jī)導(dǎo)散熱示意圖
具體應(yīng)用到手機(jī)上，其散熱過程一般為：熱界面材料用于填充芯片和VC之間的空隙，便于降低接觸熱阻，芯片的熱量經(jīng)熱界面材料傳輸?shù)骄鶡岚逭舭l(fā)段，均熱板通過相變以高通量將點(diǎn)熱源上的熱量擴(kuò)散到面上或者傳輸?shù)皆O(shè)備的冷區(qū)，并進(jìn)一步將熱量傳輸?shù)矫娣e較大的石墨散熱膜上，并利用石墨散熱膜快速均溫的特點(diǎn)將熱量最終傳遞至手機(jī)外部。
在石墨烯導(dǎo)熱膜火起來之前，人造石墨膜是主流的散熱薄膜，該材料是聚酰亞胺（PI）薄膜經(jīng)過碳化和高溫石墨化后形成的人造石墨膜。其制備工藝復(fù)雜、成本昂貴，且高質(zhì)量PI薄膜和人工石墨膜生產(chǎn)技術(shù)仍然為美國、日本等國控制，相比之下，石墨烯散熱薄膜優(yōu)勢(shì)明顯。
03.制備工藝有講究
一種制備石墨烯導(dǎo)熱膜的方法為化學(xué)氣相沉積法(CVD)，通過此方法制備的石墨烯散熱膜的熱導(dǎo)率可達(dá)2000W/(m·K)以上，但是由于在其制備過程中需要在高溫高壓條件下，制備環(huán)境苛刻，導(dǎo)致化學(xué)氣相沉積法制備的石墨散熱膜的生產(chǎn)成本相對(duì)較高，制約了該方法生產(chǎn)的石墨烯膜的實(shí)際應(yīng)用。
另一種方法是以石墨烯為原料，采用多層石墨烯堆疊而成，這是石墨烯導(dǎo)熱膜的主流制備方法。根據(jù)富烯科技招股說明書，這種方法主要包括解離分散、涂覆、熱處理、壓延、沖貼、模切等工序。
石墨烯導(dǎo)熱膜生產(chǎn)工藝流程圖
主要工序具體內(nèi)容
注意，由于沒經(jīng)過表面處理的石墨烯具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，不能夠自組裝形成宏觀結(jié)構(gòu)，從而無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。而氧化石墨烯在水中具有良好的分散性，分散后的氧化石墨烯在水中自組裝成膜后，再對(duì)其進(jìn)行高溫?zé)徇�原反應(yīng)后，可以得到宏觀形態(tài)下的石墨烯膜。
因而，氧化石墨烯的高定向自組裝是實(shí)現(xiàn)石墨烯膜高導(dǎo)熱性能的核心，而單層率超過90%的氧化石墨烯微片是實(shí)現(xiàn)高定向自組裝的關(guān)鍵。一方面，氧化程度更高的氧化石墨烯前驅(qū)體，更容易被解離為高單層率的氧化石墨烯微片，從而能夠帶來取得良好的分散效果以及更好的高定向組裝效果，但是會(huì)帶來更高的氧化成本。另一方面，高單層率的氧化石墨烯漿料由于氫鍵的作用容易發(fā)生團(tuán)聚，需要降低固含量才能實(shí)現(xiàn)均勻分散，以滿足涂覆工序和實(shí)現(xiàn)高定向組裝的要求，然而低固含漿料不易涂覆成理想厚度的GO膜，將嚴(yán)重降低涂覆效率，并且加大了干燥難度，從而導(dǎo)致制造成本大幅增加。雖然可以通過添加分散劑或表面處理劑來提升漿料固含，但會(huì)引起漿料粘度的顯著提升，使其流動(dòng)性差，導(dǎo)致無法輸送、難以涂覆。
因此，氧化石墨烯漿料所要求的良好分散性與石墨烯原材料的高氧化成本，石墨烯薄膜的高定向組裝性與涂覆、干燥過程中的高工藝成本，成為影響高性能石墨烯薄膜規(guī)模化制備經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)主要矛盾及其產(chǎn)業(yè)化過程的重大技術(shù)障礙。
此外，在石墨烯高定向組裝的基礎(chǔ)之上，盡最大可能修復(fù)石墨烯中微觀結(jié)構(gòu)的缺陷，使之在單層面內(nèi)恢復(fù)理想石墨烯結(jié)構(gòu)，也是提高石墨烯導(dǎo)熱膜導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。
參考來源：
[1]富烯科技招股說明書
[2]羅文謙.石墨烯在導(dǎo)熱散熱領(lǐng)域的應(yīng)用
[3]中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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