陈继良：可触摸类消费电子产品热管理现状和技术方向思考
导读：电子产品热管理问题正变得越来越严峻。热物理定律的限制和产品热失效机制特征，使得温度控制问题在很快的时间内从一个几乎不需要考虑的因素上升到产品设计的核心难题。本文概述了当前可触摸类消费电子产品常用的热设计方案，并结合当前技术特征，对未来可能出现的热研究方向提出了猜想。
清洁能源、5G万物互联、人工智能是当今普遍认可的社会演进方向。在实现这几个愿景的过程中，要解决海量的科学难题。其中，热管理问题是这三个方向共同面临的难题：清洁能源中，风力发电机、光伏逆变器需要温度控制，电动车中的热管理系统甚至是决定汽车安全性的核心技术；5G基站、终端产品的热问题更是直接影响使用体验，近乎成为每个商家在宣传产品时重点强调的技术点；人工智能需要巨大的算力支持，元器件发热量急剧加大，间接液冷甚至浸没冷却已经在数据中心广泛使用。援引英特尔在2010年半导体热管理会议上的数据（下图1），单芯片功耗在16nm工艺制程时已经达到了700W，热流密度甚至已经超过2.0W/mm^2。这意味着为了达成温度目标（通常在100℃左右），外部的散热手段要在数十度的温升前提下在硬币大小的面积上每秒钟转移数百焦耳的热量。图1 不同工艺制程下Intel NOC芯片的功耗值[1]
图2 不同工艺制程下Intel NOC芯片的功耗密度值[1]
手机、平板电脑等可触摸类消费电子产品的综合热流密度虽然不高，但其温度设计空间小（通常在20℃左右），散热手段受到空间、噪声、电磁信号等影响和限制，热设计难度也非常大。受制于此，电子产品的热设计正迅速从数年前的毫不关注到现出全方位设计的方向演进。热设计是一门应用型学科，热设计方案在产品中体现为热管理相关物料的选型、组合和摆放形式。当热设计工程师掌握了基本的温度控制思路，产品温度表现实际取决于材料或散热部件的热物理性能。随着产品的智能化和使用场景的复杂化，热设计方案还包含软件控制算法，使设备性能和产品散热能力之间建立匹配关系，确保温度和性能的平衡，但这不在本文的讨论范围内。产品表面温度很大程度影响了人体接触感受（粗糙度、硬度等也会影响），这种感受取决于人体皮肤的构造，具体感受取决于传入热流的速率对人体皮肤产生伤害的可能性。表1 不同表面材质、不同连续触肤时间下的烫伤温度阈值（℃）[2]
人体本身是一个温度高度敏感的对象，要求恒温在37℃附近。其控温方式除了外部的衣物，内部是一个高度精密的相变液冷系统。如下图所示，人体皮下组织中含有血管，血管内的血液能够起到转移热量的作用，而皮下组织上方的真皮中则有大量的温度感受器。过高的温度和过低的温度都会使得人体机能紊乱。当外部设备传入的热流人体无法经过皮下组织中的血管有效解决时，就表现为温度上升，真皮内的温度感受器识别到这一信号，就反馈为疼痛，让人体有离开热源的冲动。人体的这一反应有些类似于产品的降频或关机保护机制。因此，人体对表面的烫感，与传入热流的效率、人体内部移热效率、表皮的厚度（不同部位的表皮厚度不同，而表皮内没有温度感受器，相当于隔热层）有关，与被触碰表面的温度没有直接关系。故而，不同材质的表面，即使温度相同，人手触摸时烫感也有很大差异。人体进化缓慢，并不会在短时间内因为电子产品的温度控制问题越来越难而适应更高的表面温度。因此，表面温度的控制，仍将是可触摸类电子产品的关键热设计挑战。从传热学角度入手分析，电子产品的散热难度取决于内外两个因素：以手机为例，内外两个方面的特点都决定了产品散热难度的逐年提高。下图中展示的功耗趋势仅统计到2018年，其功耗最高约为5W，实质上，受限于空间和材料热特性，2021年主流的机型，其功耗上限仍然在5W附近，但芯片实际功耗上限远不止5W，也就是说，从某种程度上讲，热设计技术限制了芯片性能的发挥。图3手机热设计面临的挑战：功耗增加，外观要求越来越高，散热空间愈加狭小[4]已知的热量传递方式就只有与热传导、热对流和热辐射三种（第四种传热方式理论刚刚被发现，即使属实，其所作传热贡献在电子产品的应用场景中也微乎其微，本文忽略[5]）。随着电子产品散热问题愈加突出，消费类电子产品的热设计呈现出立体化、材料的组合应用趋势。以手机为例，其散热路径可简化如下图所示:我们以消除某个面的局部热点这一问题为例，采用的手段有如下几种：在消费电子终端产品中，这四种方式正在被组合使用。散热物料明确地朝轻薄、高导热、高辐射率等方向发展。手机的主要发热源为中央处理器、功放芯片、电源管理芯片、摄像头模组等，热量相对集中且在不同场景下分布有极大差异。内部热量只能通过前屏以及后壳散失到空气中（四周面积较小，实际也有贡献）。屏幕和后壳都是重要的人手接触面，下图示意了常见的手机散热构造，通过控制散热物料施加位置、施加面积以及和热源的结合方式，来控制热量的传递方向和传递效率。图5某品牌手机内部散热法案示意了当前手机中常见的散热物料：导热凝胶、石墨（烯）膜、均热板、铜箔等[6]手机、平板电脑等产品的现行热设计思路已经能找到大量资料，此处不再赘述。为了克服当前的功耗瓶颈，我想结合产品基本特征和传热学限制，提几点预想。这些预想未必正确，且需要从材料、工艺、电子等多方面努力才可能实现，供行业学者、研发人员参考。散热外设的诞生源于智能设备在不同使用情境下散热需求差异极大。我们仍以手机为例：录制视频时，摄像头模组热量很大，而运行游戏时，摄像头根本不工作但中央处理器功耗很高，但在浏览网页或处理文本信息时，整个手机的热量需求很小，待机状态下发热量更是微乎其微。当工程师参考最恶劣的场景来设计手机时，要保证各个元器件在所有工况下温度都能受控，产品很可能会被做的非常笨重，但这些为极限工况准备的设计在大多数情况下都用不到。散热外设的出现比较有效地解决了这个难题：当在极限工况时，可以通过施加外部移热手段来辅助降低设备温度，不需要时，外设可以被方便地移除。从热设计角度上看，散热外设本质上是空间和能量的外拓。它使用原设备之外的空间和能量（许多时候还涉及到会产生噪音）来实现更强的温控能力。1) 主动类：有风扇、泵、半导体制冷片等能耗部件，高效地转移热量，比如当前盛行的手机散热背夹，如图6所示；2) 被动类：夹套、保护壳、支架等无能耗部件，通过利用材质本身的高导热系数或改变被保护产品本身的放置状态，来强化散热，如手机壳、笔记本无风扇支架等，如图7、图8所示；3) 混合类：既改变产品放置状态，又通过能耗部件促进散热，笔记本电脑的带风扇散热支架是典型代表。图6 某品牌手机散热背夹，包含风扇、半导体制冷片[7]热量传递效率受到材料热物理性质、空间尺寸、热量分布等影响，其中空间尺寸必然会被持续压缩，而热量的大小和分布也正趋向于使得散热问题更加难解的方向演进。材料的热物理性质固然可以通过技术工艺来改进，但其涉及到基础原材料的进步，非常困难且缓慢。另外，当材料热物理性质到一定程度，再去提升，对于改善综合散热效率的贡献会逐渐衰减。有理由相信，散热外设是解决当前智能终端散热难题很现实的方向。从技术上讲，散热外设由于使用了外部空间，其灵活性大大提升，完全可以将过往的风冷、液冷经验再填充到外设中去尝试。提高集成度，对散热而言是一把双刃剑：一方面，它可以腾出空间，使得散热方案灵活性增强，另一方面，它使得热量更加集中，扩散热阻对温度的影响变得更大。自屏蔽封装(图8)、类载板技术、3D封装（图9）等都在尽可能提高电子元器件的集成度且已经大规模商用。但类似于材料性能提升，其对散热的贡献也存在边际递减效应。而且，即便不考虑其热量集中带来的温度恶化问题，其本身的技术进步对能够争取到的空间效益也在减小。从热设计角度考量，这中间存在一个平衡点：提高集成度带来的散热空间被充分利用导致的散热优化幅度，刚好可以解决热量集中带来的温度恶化效应。图9 芯片封装技术带来的空间改善示意：左-传统PCB；中-2.5D硅通孔互联技术；右-3D封装[10]在设备内部最接近热源的位置建立微通道，在微通道内泵入循环流动的可控温流体被广泛认为是下一代热管理技术[11][12]。使用导热界面材料（如导热凝胶、导热垫片、导热硅脂等）将发热源热量传递到外部的固体结构件上，固体结构件再将热量传递到空间中，是当前绝大多数电子产品的热管理方式（如图10所示）。图10 常规热管理方式示意。其中固态的结构件形态有很多种类型，如薄片、厚板、翅片状或针状散热器、水冷板等，此图仅为示意[3]可触摸类终端通常存在被移动属性，目前全部采用上述方式进行温度控制。从传热学的基础原理上分析，任何环节都有传热热阻，热沉越接近发热源头，热管理效率越高。由于材料电阻、介电损耗、磁滞损耗的天然存在，元器件在处理信息的过程中将这些电能转化成了热量。热量产生的位置并不是芯片的表面，而是有电流流通的位置，如晶体管上、键合线上、焊球上、PCB内部的导线上等。电能的供给目前是通过导线在PCB内分配、传输的，将热量（或冷量）也参考类似的思路，集成到单板或元器件内部进行换热，无疑是一个极具研究价值的主题。当前，随着封装技术和芯片制程工艺的演进，设备热量集中现象越来越明显，内部空间狭窄和极大的市场需求，使得热管和均温板行业被倒逼着在数年内从最薄的1mm进步到0.3mm，2016~2018年之间，热管和VC减薄工艺近乎数月就会有新的突破。厚石墨烯的制造工艺也在近两年取得了突破。但接下来呢？封装技术和芯片制程技术并未达上限，热量的集中程度会继续提高，而热管、均热板、石墨烯等目前被认为是最高效的热量转移部件制造工艺却已陷入瓶颈。热设计要深度匹配半导体发展节奏，切入底层，开发集成热路，是为半导体行业发展贡献热学智慧的重要方向。微通道流体冷却效率已经被实验证实很高[12]，但这是一个尚未被商业化的方向。这种片上冷却，由于热路与电路太近，以至于很可能不得不进行热、电协同设计才能确保产品按照预期目标运行。其大面积推广将建立在许多技术甚至科学问题被解决的前提之上: 相对电能，热量是一种品质更低的能量，其宏观指标为温度。低品位意味着外部许多形式的能量都可以自发地转换成热能，从而导致其在自然界普遍存在且更难控制。电的敏感性和可控性使得信息社会建立在高低电位的控制逻辑之上。自然界存在半导体，微量的杂质掺杂即可大幅改变材料导电性，但至今尚未发现热的半导体。本文提出的热池，是相对电池而言的，虽然并不违背热力学第二定律，但结合当前人类电池技术的现状，它难度更大，更像是一种猜想。热池功能的发挥甚至建立在微通道冷却技术被攻克的基础之上，就像电池必须要有电能输运线路一样。热池需要具备如下功能：1) 能够在很小的体积内高效吸收存储大量热量；
2) 能够在很短的时间内释放出存储的热量；
3) 上述过程可以多次循环进行。
这些特性与已经在当前消费类终端中广泛使用的储热片基本相同，只是储热片的储热能力过低，不能称为热池。我们仍以电学中的功能元器件来类比，储热片只能充当类似电容的功能，而非电池。和电池类似，热池也并非适用于所有的消费终端，它只针对那些短时间应用、可间歇性关断的设备。搭载热池技术的产品，设备在工作时产生的热量被储存起来，在不被使用的时候则将热量释放。热池技术普及后，移动式电子产品可以充冷，成为克服当前材料导热性、散热空间限制的另一方式。电子产品的热问题正在以前所未有的速度引起人们的重视。本文简述了当前可接触式消费电子产品的热管理现状和面临的限制，指出在当前的技术水平和设计框架下，手机等产品散热已达上限，难以应对持续攀升的热量。结合传热学基本特征，作者以可实现性为序，提出了散热外设、提高集成度、建立微通道热管理系统和热池等几个思路方向，简述了各个方向面临的问题，为电子产品热管理技术研究提供参考。本文由陈继良原创，首发热控与热管理杂志，未经授权禁止私自转载，欢迎关注仿真秀App-陈继良的个人专栏，在笔者文章下方留言和讨论，如果有不当，欢迎批评指正。[1] Huang W, Stan M R, Gurumurthi S, et al. Interaction of scaling trends in processor architecture and cooling[C]//2010 26th Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM). IEEE, 2010: 198-204.
[2] IEC GUIDE 117 -- Electrotechnical equipment – Temperatures of touchable hot surfaces Appendix A, 2010.
[3] 陈继良.《从零开始学散热.培训教材》2021
[4] Tang, Heng, Tang, et al. Review of applications and developments of ultra-thin micro heat pipes for electronic cooling[J]. Applied Energy, 2018, 223:383-400.
[5] Fong, K.Y., Li, HK., Zhao, R. et al. Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. Nature 576, 243–247 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1800-4
[6] 红魔6 Pro产品介绍. https://www.nubia.com/product/detail/s/1887
[7] 黑鲨散热背夹. http://www.blackshark.com/
[8] 图拉斯. 散热手机壳. https://www.torras.hk/cn/
[9] George Kountardas. EMI Shielding and SinterInks for 5G RF components. https://www.caplinq.com/.
[10] AAROHI DESAI. 2.5D and 3D are the best alternatives to transistor scaling in order to sustain Moore’s law. 2020
- [11] Moita A, Moreira A, Pereira J. Nanofluids for the Next Generation Thermal Management of Electronics: A Review[J]. Symmetry, 2021, 13(8): 1362.
[12] Remoco van Erp. et al. Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling. Nature 585, 211–216 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2666-1
（完）
作者：陈继良 仿真秀专栏作者，中国科学院工程热物理学硕士，现任鸿艺电子总经理。曾致力于多孔介质内流体传热传质研究，期间在国内外学术杂志发表论文17篇。后长期从事电子产品热设计相关技术工作，主导多款智能穿戴、人工智能硬件、智能家居产品、汽车电子、服务器、通讯设备等热和噪音控制设计方案。自2016年起，每年于各地组织举办热设计技术交流会，组织开发工程热设计培训。针对产品热相关难题，定期组织业内资深人士开展专业技术研讨会，持续探究电子产品热设计新方案、新技术。独立创作《从零开始学散热》一书及同名系列技术视频。声明：本文首发仿真秀App，部分图片和内容源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。 获赞 10017粉丝 21470文章 3510课程 218
