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散热技术方案继续升级,5G时代市场规模保持快速增长

热设计和热管理是电子产品组件的核心构成,并且随着组装密度和集成度的持续提升而越来越受到重视。散热下游应用领域众多,包括消费电子、和汽车、基站、服务器和数据中心等,市场空间在千亿级别。根据前瞻产业研究院预估,2018年~2023年散热产业年复合成长率达8%,市场规模有望从2018年的1497亿元增长到2023年的2199亿元。

手机散热约占行业总规模的7%,2018年约为100亿元。虽然占比低,但是未来受益于5G智能终端持续升级的驱动,手机散热市场有望保持高增长,2018~2022年年平均复合增长率有望达26%。此外,5G商用基站大规模建设也有望驱动半固态压铸壳体和吹胀板散热市场空间的扩大。而从长期发展趋势来看,5G带来的网络流量的增加,服务器散热市场也将持续扩大。

多元材料构成目前散热设计解决方案

目前手机终端、平板电脑等轻薄型消费电子受内部空间结构限制的影响,主流的散热方案包括石墨片、石墨烯、金属背板、冰巢散热、导热界面材料(ThermalInterface Materials,TIM)、热管(Heatpipe,HP)和均热板(Vapor Chamber,VC)。导热系数是衡量散热方案的核心指标。以上方案的导热系数,按照由低到高,依次为金属、石墨片、石墨烯、热管和VC。

 

虽然热管和均热板的导热系数更高,但是其功能只是加快热量从手机发热零件转移到散热片的速度,而最终的散热效果,还要看散热片和空气之间的热对流,即散热片材质的热特性对手机散热效果具有不可忽视的影响。因此,散热片+热管/VC融合的解决方案有望成为发展主流,对石墨片、TIM和热管/VC产业链的参与厂商形成利好。

热管和VC渗透到智能手机,5G单机散热ASP显著提升

手机在运行的过程中会产生大量的热量,CPU、电池、摄像头和LED等都是重要热源。同时伴随手机性能的持续升级,包括拍照像素提升、电池容量加大、曲面屏设计以及玻璃陶瓷等非金属机壳的应用,都对散热提出更高要求。良好的散热解决方案成为伴随手机迭代升级的关键之一,也是手机品牌商在推出新一代手机时的重要宣传点。

 

总体来看,芯片处理能力、射频功耗、机壳材质和轻薄化的设计是影响手机散热需求的主要因素。一方面,随着智能手机的发展,手机芯片的主频越来越高,功率越来越大。5G芯片处理能力是现有芯片的5倍;5G手机总功率约9.6W,是4G的2倍;5G手机运行在多频段和高频网络,MassiveMIMO(大规模多入多出)天线技术商用,耗能是4G芯片的2.5倍;加上高速处理大量数据,同时手机视频内容、游戏内容等的高清化。

导热系数和厚度是评估散热材料的核心指标。传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等TIM材料为主,但是石墨片存在导热系数相对较低,TIM材料存在厚度相对较大等问题。在手机品牌商的推动下,热管和VC开始从电脑、服务器等领域渗透到智能手机终端,并且在石墨烯材料持续取得突破,也开始切入到消费电子散热应用。相对而言,VC和石墨烯的导热系数高,厚度薄,是散热材料的更优选择。

华为在荣耀Note10 4G手机中采用了9层立体散热方法,石墨片+金属+TIM+热管,由手机屏幕侧开始,分别是中框石墨片、PC级液冷管、高导热铝合金中框、导热铜片、处理器屏蔽罩、两层导热凝胶、后盖石墨片。具体方案为:CPU的一部分热量经过散热硅脂、铜合金屏蔽罩、铜片、焊锡传输到热管蒸发段,热管负责把这些能量快速传输到整机冷区,并通过铝合金均温板、大面积石墨片,把传送到冷区的热量快速散开。CPU另的一部分热量则经过PCB板均热后,辐射到后壳石墨片上,进行后壳均热。

 

华为在2019年发布的Mate20 X中率先使用石墨烯+VC的散热技术,三星新款旗舰机Note10中也首度采用了VC散热方案。

随着石墨烯、热管和VC在智能手机中渗透率的提升,5G时代单机ASP有望达到5~10美金的较高水平,实现3~4倍的价值量增长。首先,高端机型单机石墨片/石墨烯使用数量为3~6片,其中石墨片单片价格在0.2~0.3美金,石墨烯价格更高;其次,单机热管使用数量为1个,价格在0.3~0.6美金,均热板VC价格为2~3美金;TIM视不同相变材料而定,价值量区间为0.5~2.5美金。

除了单价ASP的倍增外,智能手机出货量有望借力于5G实现大幅增长。根据IDC发布的报告,预计2019年全球智能手机出货量仍延续下滑趋势,同比下降0.8%,达到13.9亿部。但随着可折叠屏和5G手机的商用,2019年下半年智能手机行业有望恢复增长,预估该趋势将一直延续到2023年,届时全球智能手机出货量将达到15.42亿台,其中5G手机渗透率达到25%。

半固态压铸件+吹胀板,5G基站壳体价值量提升

基站架构包括BBU和AAU(4G为RRU+天线)。其中BBU(Base Band Unite,基带处理单元)负责集中控制与管理整个基站系统,完成上下行基带处理功能,并提供与射频单元、传输网络的物理接口,完成信息交互。AAU(Active Antenna Unit,有源天线)/RRU(Remote Radio Unit,射频处理单元)+天线通过基带射频接口与BBU通信,完成基带信号与射频信号的转换。

5G基站引入Massive MIMO技术,典型应用是64T64R,单基站典型功耗超过3500W,而4G基站主要采用4T4R MIMO,单基站典型功耗仅1000W左右。由于设备在运行过程中消耗的部分电能会转化为热能,使得基站一体化机柜内的温度不断上升,因此散热需求大幅提升。

从基站功耗数据的构成来看,BBU功耗相对稳定,与所插板件相关,受业务负荷的影响不大。根据运营商的测试数据,5G基站BBU功耗平均为300W左右,大约是4G的2倍。5G功耗的增加主要来源于有源天线AAU。5G业务为空载、负荷30%和负荷100%时,AAU平均功耗依次为633W、762W和1127W;4G时代,以上三种业务负荷下RRU的功耗分别为222W、259W和290W。因此,5GAAU功耗相对于4G有3倍左右的提升。

目前主流的基站散热方案为:BBU正面使用鳍片散热片覆盖PCB,仅仅露出电源部分,背面使用金属散热片和热管/均热板,而内部使用导热界面材料(TIM)。AAU/RRU由于功耗大幅增加,除了在内部使用TIM材料填充缝隙之外,还需要使用重量更轻、散热性能更好的压铸壳体,对翅片设计、壳体材料以及壳体压铸工艺都提出更高要求。半固态压铸件具有重量轻和散热性能好的优势,吹胀板具有热传导效率高、制冷速度快的优势,结合半固态压铸件和吹胀板的散热器件有望大幅提升5G基站的散热价值量。根据产业链调研,5G基站散热价值量为1500~2000元/站。

理论上,5G基站(宏基站)的覆盖密度将比4G更密。原因在于,5G通信频段提升,基站覆盖范围持续缩小(蜂窝小区的半径缩小),要达到同样的覆盖范围,基站的密度会有所增加。 

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点击数:0 | 更新时间:2019-10-18 15:25:42
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