隨著人工智能（AI）技術的快速發展，終端器件的算力也在持續增長。從智能手機到智能音箱，再到各種智能家居，它們通過在有限的空間內集成越來越多的高性能計算資源，以滿足AI大模型的訓練與推理需求，來為用戶提供更強大的功能，但同時也導致散熱問題越來越嚴峻，因此亟需改進散熱技術，開發更有效的散熱材料，有效提升電子設備的穩定性和壽命，滿足不斷增長的計算需求。

通常，高功率電子終端器件的散熱系統包括熱擴展裝置、熱界面材料和熱沉裝置三個部分，熱量首先經過導熱界面材料傳導到熱沉裝置，接著熱沉裝置管再將熱量快速傳導到熱擴展材料，從而將熱量快速散發到空氣中。針對AI終端器件集成化要求以及高的熱需求，常采用“導熱界面材料+石墨（烯）膜+熱管/均溫板”散熱材料組合作為散熱方案。

一、導熱界面材料

由于制造公差和表面粗糙度的存在，這些接口之間通常會有微小的空隙，這些空隙會包含空氣，而空氣是熱的不良導體，常溫下空氣的導熱系數僅為0.026W/(m·K)，因此通常使用導熱界面材料來填補這些微小空隙，有效排出空氣，以提供更好的熱傳導路徑，大大降低界面接觸熱阻，從而大幅提高散熱效率。類似AI終端器件使用的高功耗芯片。一般采取倒扣焊工藝通過向上散熱通道將熱量及時傳至外部散熱器，因此“芯片－TIM－封裝－TIM－散熱器”是封裝內芯片工作時的主要散熱路徑。而根據導熱界面的放置位置，導熱界面材料有TIM1和TIM2兩種。

TIM1/ TIM2 結構（來源：硬件起源）

TIM1型材料被用作第一道防線，通常放置在半導體封裝內部，位于發熱芯片/管芯和散熱金屬蓋之間，直接接觸發熱源和散熱金屬蓋。由于其位置和作用的特殊性，TIM1材料需要具備極高的導熱性能，來滿足芯片內部嚴格的熱管理需求，同時具備電絕緣性能，以確保有效的熱量轉移，避免芯片過熱，并防止電子元器件短路，除此之外，硅芯片與金屬蓋板之冋的熱膨脹系數有顯著差異，再加上倒裝芯片組裝工藝包括數個固化工藝步驟和溫度循環過程，所以，TIM1材料的熱膨脹系數也是一個重要參數。通常TIM1的主流產品是采用高導熱性粉體填充于含硅或非硅聚合物液體或相變聚合物中，形成漿狀、泥狀、膏狀或薄膜狀的復合材料（如導熱膏、導熱膠等），以便填充芯片內部的微小縫隙。

TIM2型材料則作為第二道防線，通常放置在半導體封裝的外部，位于散熱器和封裝之間。相比TIM1，=TIM2在結構上已經遠離芯片，工作環境相對溫和，性能要求沒有TIM1那么高，沒有電絕緣性要求，但它仍然需要具備良好的導熱性能，以將從TIM1傳遞來的熱量進一步散發到外界環境中，。此外，由于熱沉可能需要在線或在系統級組裝過程中移除或重新貼裝，TIM2材料一般作為可分離界面。通常TIM2一般多為碳基熱界面材料。

二、熱管/均熱板（熱沉裝置）

手機中的熱沉裝置通常采用熱管或VC均熱板，通過內部填充的水或其他高導熱性液體的循環流動相變，實現手機內部熱量的有效傳遞和散發，可以看做是小型的液冷系統。

1、熱管

熱管是通過線式（一維）均溫來實現散熱的，其結構包括蒸發段、對流管道、冷凝段和液體回流段，不需要外界提供動力，具有快速導熱功能。蒸發段位于手機內部的熱源附近，熱管內的液體在此受熱氣化。蒸氣經對流管道進入冷凝段，將熱量散發出去，冷凝后的液體再回流至蒸發段。如此循環往復，形成高效的熱傳遞通道。由于其不需要外界提供動力，具有快速導熱功能。不過熱管的形狀通常不能隨意設計，導致使用位置和面積受限，限制了集成化、小型化AI器件的應用。

熱管及均熱板原理架構圖對比（來源：JONES）

2、VC均熱板

為了應對不斷增加的芯片功耗和熱量管理需求，AI器件終端的熱沉也在不斷進步，在熱管的結構基礎上，二維均溫技術（VC均熱板）、三維的一體式均溫技術（3D VC均熱板）逐漸被開發。均熱板與熱管的原理相似，都是讓冷卻液吸收熱源的能量，然后經過蒸發（吸熱）、冷凝（放熱）的相變過程，將熱量分散導向外部。不過、均熱板可設計成任意形狀以適應不同的熱源布局，以二維甚至三維方式幫助器件散熱，接觸面積更大，散熱更均勻，相比熱管，傳熱效率提高了20% - 30%。同時其緊湊的設計也更利于安裝在小型化設備中。

華為Mate60采用的VC均熱板

石墨膜、石墨烯膜（熱擴散裝置）

一般熱擴展裝置會借助石墨、銅板等具有較高熱導率的散熱膜來進行熱量的擴散，目前高端手機中比較主流的熱擴展薄膜使用石墨材料，如石墨膜、石墨烯膜等。

1、石墨膜

石墨膜具有較高的熱導率，耐高低溫性、化學穩定性，而且相較于金屬，還有較低的密度和較好的柔韌性，更能適應手機內部復雜的結構，在解決小型智能電子設備局部過熱問題上表現突出。不過石墨膜的商業化制備往往是以聚酰亞胺膜為原料，經過碳化、石墨化后壓延而成，原料主要依賴進口，成本并不低，同時，由于其內部碳原子有序程度較低，限制了其熱導率的提升，一般為700-1950W/（m·K），因此發展近年手機廠商們紛紛開始布局石墨烯膜。

2、石墨烯膜

石墨烯膜是通過有序堆疊氧化石墨烯(GO)納米片以及隨后的還原/石墨化來獲得的高定向散熱膜，原材料不受限制，同時結構完整有序，因此熱導率極高，理論值可達5300W/（m·K），而實際熱導率也以達到了1500-2000W/（m·K）。同時，石墨烯膜的熱導率受厚度影響較小，因此其厚度在大范圍內（10-300nm）可調，能夠更好的適應不同結構設計的機型，更好地填滿器件內的縫隙，擴大平面內導熱通量。此外，在機械拉伸強度上，石墨烯薄膜也有極大的優勢，幾乎是石墨薄膜三倍，高達70mPa。

小結

為滿足滿足AI大模型的訓練與推理需求，AI終端器件算力呈指數級增長，以智能手機、筆記本電腦、智能家居為代表的消費電子產品內部器件發熱量及散熱需求顯著提升，“導熱界面材料+石墨（烯）膜+熱管/均溫板”散熱材料組合已逐步發展成為中高端智能手機的主流散熱解決方案。其中導熱界面材料是芯片散熱必不可少的基礎材料，三維化均熱板是器件熱沉的主要方向，而石墨烯膜則能夠幫助器件內熱量由“點”到“面”散發，被越來越多終端器件廠商所應用。

參考文獻：

1、謝科鋒，《手機散熱：揭秘你的智能伙伴如何冷靜應對》，洞察化學

2、JONES，《電子散熱技術淺談》

3、馭勢資本，《揭秘新一代芯片散熱技術，保障性能穩定》

4、李星，《技術前沿：AI手機、AIPC散熱技術及產業鏈》， AIOT大數據

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