随着人工智能（AI）技术的快速发展，终端器件的算力也在持续增长。从智能手机到智能音箱，再到各种智能家居，它们通过在有限的空间内集成越来越多的高性能计算资源，以满足AI大模型的训练与推理需求，来为用户提供更强大的功能，但同时也导致散热问题越来越严峻，因此亟需改进散热技术，开发更有效的散热材料，有效提升电子设备的稳定性和寿命，满足不断增长的计算需求。

通常，高功率电子终端器件的散热系统包括热扩展装置、热界面材料和热沉装置三个部分，热量首先经过导热界面材料传导到热沉装置，接着热沉装置管再将热量快速传导到热扩展材料，从而将热量快速散发到空气中。针对AI终端器件集成化要求以及高的热需求，常采用“导热界面材料+石墨（烯）膜+热管/均温板”散热材料组合作为散热方案。

一、导热界面材料

由于制造公差和表面粗糙度的存在，这些接口之间通常会有微小的空隙，这些空隙会包含空气，而空气是热的不良导体，常温下空气的导热系数仅为0.026W/(m·K)，因此通常使用导热界面材料来填补这些微小空隙，有效排出空气，以提供更好的热传导路径，大大降低界面接触热阻，从而大幅提高散热效率。类似AI终端器件使用的高功耗芯片。一般采取倒扣焊工艺通过向上散热通道将热量及时传至外部散热器，因此“芯片－TIM－封装－TIM－散热器”是封装内芯片工作时的主要散热路径。而根据导热界面的放置位置，导热界面材料有TIM1和TIM2两种。

TIM1/ TIM2 结构（来源：硬件起源）

TIM1型材料被用作第一道防线，通常放置在半导体封装内部，位于发热芯片/管芯和散热金属盖之间，直接接触发热源和散热金属盖。由于其位置和作用的特殊性，TIM1材料需要具备极高的导热性能，来满足芯片内部严格的热管理需求，同时具备电绝缘性能，以确保有效的热量转移，避免芯片过热，并防止电子元器件短路，除此之外，硅芯片与金属盖板之冋的热膨胀系数有显著差异，再加上倒装芯片组装工艺包括数个固化工艺步骤和温度循环过程，所以，TIM1材料的热膨胀系数也是一个重要参数。通常TIM1的主流产品是采用高导热性粉体填充于含硅或非硅聚合物液体或相变聚合物中，形成浆状、泥状、膏状或薄膜状的复合材料（如导热膏、导热胶等），以便填充芯片内部的微小缝隙。

TIM2型材料则作为第二道防线，通常放置在半导体封装的外部，位于散热器和封装之间。相比TIM1，=TIM2在结构上已经远离芯片，工作环境相对温和，性能要求没有TIM1那么高，没有电绝缘性要求，但它仍然需要具备良好的导热性能，以将从TIM1传递来的热量进一步散发到外界环境中，。此外，由于热沉可能需要在线或在系统级组装过程中移除或重新贴装，TIM2材料一般作为可分离界面。通常TIM2一般多为碳基热界面材料。

二、热管/均热板（热沉装置）

手机中的热沉装置通常采用热管或VC均热板，通过内部填充的水或其他高导热性液体的循环流动相变，实现手机内部热量的有效传递和散发，可以看做是小型的液冷系统。

1、热管

热管是通过线式（一维）均温来实现散热的，其结构包括蒸发段、对流管道、冷凝段和液体回流段，不需要外界提供动力，具有快速导热功能。蒸发段位于手机内部的热源附近，热管内的液体在此受热气化。蒸气经对流管道进入冷凝段，将热量散发出去，冷凝后的液体再回流至蒸发段。如此循环往复，形成高效的热传递通道。由于其不需要外界提供动力，具有快速导热功能。不过热管的形状通常不能随意设计，导致使用位置和面积受限，限制了集成化、小型化AI器件的应用。

热管及均热板原理架构图对比（来源：JONES）

2、VC均热板

为了应对不断增加的芯片功耗和热量管理需求，AI器件终端的热沉也在不断进步，在热管的结构基础上，二维均温技术（VC均热板）、三维的一体式均温技术（3D VC均热板）逐渐被开发。均热板与热管的原理相似，都是让冷却液吸收热源的能量，然后经过蒸发（吸热）、冷凝（放热）的相变过程，将热量分散导向外部。不过、均热板可设计成任意形状以适应不同的热源布局，以二维甚至三维方式帮助器件散热，接触面积更大，散热更均匀，相比热管，传热效率提高了20% - 30%。同时其紧凑的设计也更利于安装在小型化设备中。

华为Mate60采用的VC均热板

石墨膜、石墨烯膜（热扩散装置）

一般热扩展装置会借助石墨、铜板等具有较高热导率的散热膜来进行热量的扩散，目前高端手机中比较主流的热扩展薄膜使用石墨材料，如石墨膜、石墨烯膜等。

1、石墨膜

石墨膜具有较高的热导率，耐高低温性、化学稳定性，而且相较于金属，还有较低的密度和较好的柔韧性，更能适应手机内部复杂的结构，在解决小型智能电子设备局部过热问题上表现突出。不过石墨膜的商业化制备往往是以聚酰亚胺膜为原料，经过碳化、石墨化后压延而成，原料主要依赖进口，成本并不低，同时，由于其内部碳原子有序程度较低，限制了其热导率的提升，一般为700-1950W/（m·K），因此发展近年手机厂商们纷纷开始布局石墨烯膜。

2、石墨烯膜

石墨烯膜是通过有序堆叠氧化石墨烯(GO)纳米片以及随后的还原/石墨化来获得的高定向散热膜，原材料不受限制，同时结构完整有序，因此热导率极高，理论值可达5300W/（m·K），而实际热导率也以达到了1500-2000W/（m·K）。同时，石墨烯膜的热导率受厚度影响较小，因此其厚度在大范围内（10-300nm）可调，能够更好的适应不同结构设计的机型，更好地填满器件内的缝隙，扩大平面内导热通量。此外，在机械拉伸强度上，石墨烯薄膜也有极大的优势，几乎是石墨薄膜三倍，高达70mPa。

小结

为满足满足AI大模型的训练与推理需求，AI终端器件算力呈指数级增长，以智能手机、笔记本电脑、智能家居为代表的消费电子产品内部器件发热量及散热需求显著提升，“导热界面材料+石墨（烯）膜+热管/均温板”散热材料组合已逐步发展成为中高端智能手机的主流散热解决方案。其中导热界面材料是芯片散热必不可少的基础材料，三维化均热板是器件热沉的主要方向，而石墨烯膜则能够帮助器件内热量由“点”到“面”散发，被越来越多终端器件厂商所应用。

参考文献：

1、谢科锋，《手机散热：揭秘你的智能伙伴如何冷静应对》，洞察化学

2、JONES，《电子散热技术浅谈》

3、驭势资本，《揭秘新一代芯片散热技术，保障性能稳定》

4、李星，《技术前沿：AI手机、AIPC散热技术及产业链》， AIOT大数据

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