你的手機會發燙嗎？——手機散熱技術大盤點
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近期iPhone X/iPhone 8/華為Mate10/三星Note8/小米Mix2等手機即將或已經發布。隨著手機性能越來越強、機身越來越輕薄，其散熱要求愈來愈高。
目前市面上商業手機的主要散熱思路是將晶元的熱量均勻快速地疏導到手機外殼，具體包括：導熱硅脂散熱、石墨散熱、相變散熱、熱管散熱等。
依據現有的手機散熱結構，提出了幾點使用手機的建議：盡量避免持握手機集中發熱部位、盡量避免邊充電邊運行大功耗軟體或遊戲、合理選擇手機保護殼、DIY散熱改裝等。
「你的iPhone X會發燙嗎？」
「我沒有iPhone X」
「哦」
既然大家還都沒有X，那我們先聊聊其他的手機是怎麼散熱的吧。
近期iPhone 8/X、三星Note8和小米Mix2已經相繼發布，隨著信息科技的發展，手機朝著輕薄以及高性能的方向發展。以蘋果手機為例，從2008發行的iPhone 3G到2016年發行的iPhone 6s plus，厚度由12.3毫米 變為7.3毫米 [1]，處理器性能測試的跑分由4.43分上升到110.1分 [2]。目前世界上最薄的手機vivo X5 Max僅4.75毫米。剛發布的iPhone X所使用的A11 Bionic處理器的四個能效核心速度比上一代的 A10 Fusion 最高提升 70%，兩個性能核心也有了最高達 25% 的速度提升 [1]。隨著晶元處理能力的大幅提升，其發熱愈加強烈。越來越薄的機身也使得內部的散熱結構更加難以布置,電池能量密度越來越高。去年三星某型號手機爆炸事件,將手機晶元散熱和電池熱管理問題推向高潮。下面小編帶大家盤點一下常見的手機散熱方法以及未來的手機散熱黑科技。
圖1 手機內部發熱結構示意圖
圖1為手機內部發熱結構示意圖，CPU晶元運行產生的熱量，需要透過金屬屏蔽殼、內部空間以及手機外殼散發到環境中。手機散熱設計的目的就是如何將這部分熱量迅速且均勻地散發到環境中。手機散熱結構需要採用高導熱材料，同時也應當考慮熱膨脹等帶來的可靠性問題以及散熱材料價格成本問題。下面，我們將結合市面上已經發行的手機散熱結構，對常見的幾種手機散熱方式進行介紹和剖析。
導熱硅脂散熱
圖2 華為P10中的導熱硅脂散熱方法
導熱硅脂相對於空氣而言，具有較高的導熱係數（空氣導熱係數：0.023 W/(m.K)，導熱硅脂導熱係數：1~5 W/(m.K) [3]）。通常用於填充在間隙中，使得熱量順利從晶元傳導到外殼，在晶元和外殼之間起到牽線搭橋的作用。是一種最為常見的強化散熱方法，幾乎應用於所有的電子器件散熱。華為榮耀P10就是採用導熱硅脂散熱，將晶元的熱量均勻疏導到手機主體金屬框架中。金屬具有很高的導熱係數，所以可以降低晶元的溫度。同時在界面處填充導熱硅脂可以增加晶元和外殼的接觸面積，降低界面熱阻，不過因為導熱硅脂本身導熱係數並不是很高，因此也不能塗抹得太厚。
石墨片散熱
圖3 小米5手機內部結構圖
石墨片的導熱性能較好，商業化生產的石墨片水平導熱係數高達1600W/(m.K) [4]. 同時石墨較為柔軟，很容易和熱表面進行無縫隙貼合，促進散熱。小米5手機發行時對此技術進行了大力宣傳。通過圖2中小米5手機的內部結構可以看到。小米手機殼內部貼了一層石墨膜，主要目的是使得熱量均勻疏散到大面積手機殼上。不過很多用戶反饋小米5依然是滾燙滾燙的。小編覺得主要原因是，CPU金屬屏蔽殼和石墨散熱片之間並沒有實質性接觸，隔在中間的NFC貼片也進一步阻隔了散熱。低導熱性能的非金屬外殼也十分不利於散熱。小米5的發燒友們可以考慮在CPU金屬屏蔽殼和石墨片之間塗上導熱硅脂，手機溫度應該會可觀的降低。
圖4 蘋果6S plus手機內部散熱結構
蘋果手機作為業內大牛，石墨散熱設計結構相對較為合理。其中CPU金屬屏蔽殼兩面都貼有石墨膜，同時內部還有一個貼有石墨膜的導熱金屬板，以減小接觸熱阻。使得CPU的熱量順利的傳導到金屬板和外殼中，再通過大面積的金屬板及外殼散熱。
相變散熱
圖5 OPPO R5手機內部散熱結構
相變散熱是利用工質的巨大的相變潛熱，吸收晶元所散發的熱量。OPPO R5當年炒的沸沸揚揚的聽起來很厲害的「冰巢散熱」其實就是採用類液態金屬。晶元溫度升高時，類液態金屬從固態變為液態進行吸熱。不過液態金屬充分相變後不再具備吸熱能力。此時主要依託液態金屬的高導熱特性將熱量傳導到手機外殼。液態金屬導熱膏的導熱係數高達20 W/(m.K) [5]，是傳統導熱硅脂的4~20倍，其散熱效果更加優異。不過液態金屬的流動性、毒性和揮發性所帶來的危害也值得進一步研究。
熱管散熱
圖6 Lumia950 XL手機內部散熱結構
熱管內部的冷卻工質在熱端蒸發並在冷端冷凝，從整體上可以認為是導熱率極高的一種導熱結構[6]。熱管之前被廣泛用於筆記本電腦的散熱中。熱管體積相對較大，目前手機由於空間限制，而且散熱需求沒有電腦那麼大，所以目前手機中使用熱管散熱的較少。Lumia950 XL 通過熱管將CPU上的熱量快速導出。不過Lumia950 XL的散熱結構不合理之處在於，熱量通過熱管導出以後，並沒有大面積地和手機殼有效接觸，熱量聚集在手機側邊難以散出。很過用戶也反應該款手機發熱嚴重。lumia950 XL發燒友可以在側邊的熱管上塗抹導熱膏，同時貼上石墨片增大有效散熱面積，散熱效果應該有一定的改觀。
未來的手機散熱黑科技
除了以上常見的手機散熱方法，小編盤點了目前一些尚未大規模應用在手機上的晶元散熱黑科技和給位讀者分享：
碳納米管陣列熱界面材料：碳納米管陣列熱界面材料導熱係數較高 [7]，納米管陣列就像刷子一樣，用於界面散熱的時候，大大增加了接觸面積，十分有利於熱量順利導出。目前已經規模化生產，很有可能成為下一代手機晶元高效散熱技術。
聚合物薄膜熱界面材料：高導熱聚合物薄膜經過最近數十年的發展，從單根納米線發展為薄膜，導熱性能較高，柔韌性好，同時價格成本低 [8]。可能將是未來手機晶元散熱新方向。
金剛石散熱材料：金剛石導熱係數高達2000 W/(m.K)，極高的導熱性能可以將晶元熱量迅速導出 [9]。不過目前常見的CVD金剛石力學柔韌性較差、價格較為昂貴。不過目前常見的CVD金剛石在和其他材料接觸時，在界面處有一些力學的問題、並且價格較為昂貴，所以應用較為有限。隨著金剛石生長技術的發展，質量越來越好，價格越來越便宜，將成為未來的散熱明星。
石墨烯散熱材料：單層懸空石墨烯的導熱係數高達5300 W/(m.K) [10]，實驗室研究表明針對高熱流密度的晶元，石墨烯散熱效果表現優異 [11]。不過由於製造工藝和高價格的問題，目前距離市場應用還有很遠的距離。
仿生髮汗冷卻：仿照自然界中樹木蒸騰作用或動物皮膚的出汗過程，利用持續相變對高熱流密度表面進行散熱。目前清華大學的團隊研製的仿生樹木蒸騰作用發汗冷卻主要用於航天領域高熱流密度冷卻 [12]，有望將航天技術轉為民用。武漢大學的團隊研製的納米仿生皮膚髮汗冷卻採用水凝膠技術，主要用於手機的晶元冷卻 [13]。
手機散熱小貼士
根據目前的手機散熱結構，小編總結了一些手機使用小建議，避免你的掌上寶變成暖寶寶。
避免持握手機集中發熱部位：盡量避免觸碰手機集中發熱的晶元部位，人肉是一種相對低導熱的材料。觸碰不僅影響體驗，而且容易阻隔散熱。例如橫屏打手機遊戲時，一般手機有一個角比較熱（晶元區域），盡量通過旋轉屏幕，避免持握在該區域。
避免不合理的充電：充電的過程也會由於電阻發熱等產生一定的熱量。睡覺時建議不要把充電的手機放在枕頭下面或被子里。也不建議邊充電邊運行大型遊戲。
合理選擇手機保護殼：不推薦使用非金屬的手機保護殼，非金屬手機保護殼相當於手機穿上了一層的棉衣，內部再好的散熱結構也無濟於事。如果一定要使用保護殼，建議使用帶有微小孔結構的金屬保護殼（某寶有售），這種小孔結構某種程度上增加了換熱面積，有利於散熱。
DIY散熱改裝：目前市面上部分手機散熱結構還是存在不合理地方，通過自己簡單的手動DIY即可改進散熱效果，例如文中提到的在熱管的基礎上合理增加導熱硅脂和石墨片的組合散熱方式。不過為了避免危險，不建議非專業的讀者進行改裝。歡迎讀者來信探討。
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本文中的拆機圖片源於網路。文中的針對不同手機品牌的散熱評析僅代表作者個人意見。文中不涉及任何商業廣告。
參考文獻
[1] 蘋果官方平台，原文網址：https://www.apple.com
[2] 趙盼，「12部完整排列！歷代iPhone速度和反應大測試！」，中關村在線，2015。原文網址：http://apple.zol.com.cn/543/5436577.html
[3] FUJIK 導熱硅脂，原文網址：http://www.smtdz.com/cn/cp-fs.html
[4] 度邦科技智能手機散熱石墨片，原文網址：http://www.dubang68.com/daoreshimopian/zhinengshoujisaoreshimopian.html
[5] 神液牌液態金屬導熱膏，原文網址：http://www.alloykingdom.com/archives/292
[6] Faghri, Amir. Heat pipe science and technology. Global Digital Press, 1995.
[7] Cola, Baratunde A., et al. Photoacoustic characterization of carbon nanotube array thermal interfaces[J]. Journal of applied physics 101.5 (2007): 054313.
[8] Singh, Virendra, et al. High thermal conductivity of chain-oriented amorphous polythiophene. [J]. Nature nanotechnology 9.5 (2014): 384-390.
[9] Yates, Luke, et al. Characterization of the Thermal Conductivity of CVD Diamond for GaN-on-Diamond Devices. Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), 2016 IEEE. IEEE, 2016.
[10] BALANDIN A A, GHOSH S, BAO W Z, et al. Superior thermal conductivity of single-layer graphene [J]. Nano Lett, 2008, 8(3): 902-907.
[11] YAN Z, LIU G X, KHAN J M, et al. Graphene quilts for thermal management of high-power GaN transistors [J]. Nat Commun, 2012(3): 827.
[12] Jiang P X, Huang G, Zhu Y H, Xu R N, Liao Z Y & Lu T J. Experimental investigation of biomimetic self-pumping and self-adaptive transpiration cooling[J]. Bioinspiration & biomimetics, 2017, 12(5): 056002.
[13] Huang Z, Zhang X, Zhou M, et al. Bio-inspired passive skin cooling for handheld microelectronics devices[J]. Journal of Electronic Packaging, 2012, 134(1): 014501.
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