電子產品熱管理問題正變得越來越嚴峻。熱物理定律的限制和產品熱失效機制特征，使得溫度控制問題在很快的時間內從一個幾乎不需要考慮的因素上升到產品設計的核心難題。本文概述了當前可觸摸類消費電子產品常用的熱設計方案，并結合當前技術特征，對未來可能出現的熱研究方向提出了猜想。

寫在文前

清潔能源、5G萬物互聯、人工智能是當今普遍認可的社會演進方向。在實現這幾個愿景的過程中，要解決海量的科學難題。其中，熱管理問題是這三個方向共同面臨的難題：清潔能源中，風力發電機、光伏逆變器需要溫度控制，電動車中的熱管理系統甚至是決定汽車安全性的核心技術；5G基站、終端產品的熱問題更是直接影響使用體驗，近乎成為每個商家在宣傳產品時重點強調的技術點；人工智能需要巨大的算力支持，元器件發熱量急劇加大，間接液冷甚至浸沒冷卻已經在數據中心廣泛使用。

援引英特爾在2010年半導體熱管理會議上的數據（下圖1），單芯片功耗在16nm工藝制程時已經達到了700W，熱流密度甚至已經超過2.0W/mm^2。這意味著為了達成溫度目標（通常在100℃左右），外部的散熱手段要在數十度的溫升前提下在硬 幣大小的面積上每秒鐘轉移數百焦耳的熱量。

圖1 不同工藝制程下Intel NOC芯片的功耗值[1]

圖2 不同工藝制程下Intel NOC芯片的功耗密度值[1]

手機、平板電腦等可觸摸類消費電子產品的綜合熱流密度雖然不高，但其溫度設計空間小（通常在20℃左右），散熱手段受到空間、噪聲、電磁信號等影響和限制，熱設計難度也非常大。受制于此，電子產品的熱設計正迅速從數年前的毫不關注到現出全方位設計的方向演進。

可觸摸類消費終端散熱現狀概述

熱設計是一門應用型學科，熱設計方案在產品中體現為熱管理相關物料的選型、組合和擺放形式。當熱設計工程師掌握了基本的溫度控制思路，產品溫度表現實際取決于材料或散熱部件的熱物理性能。隨著產品的智能化和使用場景的復雜化，熱設計方案還包含軟件控制算法，使設備性能和產品散熱能力之間建立匹配關系，確保溫度和性能的平衡，但這不在本文的討論范圍內。

消費電子終端的散熱目標包括但不限于如下兩個：

• 表面溫度不超溫，保證觸摸體驗

• 內部電子元器件溫度合理、安全

產品表面溫度很大程度影響了人體接觸感受（粗糙度、硬度等也會影響），這種感受取決于人體皮膚的構造，具體感受取決于傳入熱流的速率對人體皮膚產生傷害的可能性。

表1 不同表面材質、不同連續觸膚時間下的燙傷溫度閾值（℃）[2]

人體本身是一個溫度高度敏感的對象，要求恒溫在37℃附近。其控溫方式除了外部的衣物，內部是一個高度精密的相變液冷系統。如下圖所示，人體皮下組織中含有血管，血管內的血液能夠起到轉移熱量的作用，而皮下組織上方的真皮中則有大量的溫度感受器。過高的溫度和過低的溫度都會使得人體機能紊亂。當外部設備傳入的熱流人體無法經過皮下組織中的血管有效解決時，就表現為溫度上升，真皮內的溫度感受器識別到這一信號，就反饋為疼痛，讓人體有離開熱源的沖動。

人體的這一反應有些類似于產品的降頻或關機保護機制。因此，人體對表面的燙感，與傳入熱流的效率、人體內部移熱效率、表皮的厚度（不同部位的表皮厚度不同，而表皮內沒有溫度感受器，相當于隔熱層）有關，與被觸碰表面的溫度沒有直接關系。故而，不同材質的表面，即使溫度相同，人手觸摸時燙感也有很大差異。

圖4 人體皮膚構造的熱設計解讀[3]

人體進化緩慢，并不會在短時間內因為電子產品的溫度控制問題越來越難而適應更高的表面溫度。因此，表面溫度的控制，仍將是可觸摸類電子產品的關鍵熱設計挑戰。

從傳熱學角度入手分析，電子產品的散熱難度取決于內外兩個因素：

• 內：產品發熱量和溫度控制目標值

• 外：可用的散熱手段

以手機為例，內外兩個方面的特點都決定了產品散熱難度的逐年提高。下圖中展示的功耗趨勢僅統計到2018年，其功耗最高約為5W，實質上，受限于空間和材料熱特性，2021年主流的機型，其功耗上限仍然在5W附近，但芯片實際功耗上限遠不止5W，也就是說，從某種程度上講，熱設計技術限制了芯片性能的發揮。

圖3手機熱設計面臨的挑戰：功耗增加，外觀要求越來越高，散熱空間愈加狹小[4]

已知的熱量傳遞方式就只有與熱傳導、熱對流和熱輻射三種（第四種傳熱方式理論剛剛被發現，即使屬實，其所作傳熱貢獻在電子產品的應用場景中也微乎其微，本文忽略[5]）。隨著電子產品散熱問題愈加突出，消費類電子產品的熱設計呈現出立體化、材料的組合應用趨勢。以手機為例，其散熱路徑可簡化如下圖所示:

圖4手機熱流路徑[3]

我們以消除某個面的局部熱點這一問題為例，采用的手段有如下幾種：

1) 使用高導熱材料將局部熱量擴散開，降低局部高溫；

2) 使用隔熱材料，阻止熱量傳遞到此方向；

3) 使用高導熱材料，將熱量拉往相反方向，間接降低通往此面的熱流；

4) 使用儲熱材料，當熱量不可避免地傳遞至此點時，延緩溫度上升的速率

在消費電子終端產品中，這四種方式正在被組合使用。散熱物料明確地朝輕薄、高導熱、高輻射率等方向發展。

手機的主要發熱源為中央處理器、功放芯片、電源管理芯片、攝像頭模組等，熱量相對集中且在不同場景下分布有極大差異。內部熱量只能通過前屏以及后殼散失到空氣中（四周面積較小，實際也有貢獻）。屏幕和后殼都是重要的人手接觸面，下圖示意了常見的手機散熱構造，通過控制散熱物料施加位置、施加面積以及和熱源的結合方式，來控制熱量的傳遞方向和傳遞效率。

圖5某品牌手機內部散熱法案示意了當前手機中常見的散熱物料：導熱凝膠、石墨（烯）膜、均熱板、銅箔等[6]

手機、平板電腦等產品的現行熱設計思路已經能找到大量資料，此處不再贅述。為了克服當前的功耗瓶頸，我想結合產品基本特征和傳熱學限制，提幾點預想。這些預想未必正確，且需要從材料、工藝、電子等多方面努力才可能實現，供行業學者、研發人員參考。

散熱預想

1、散熱外設

散熱外設的誕生源于智能設備在不同使用情境下散熱需求差異極大。我們仍以手機為例：錄制視頻時，攝像頭模組熱量很大，而運行游戲時，攝像頭根本不工作但中央處理器功耗很高，但在瀏覽網頁或處理文本信息時，整個手機的熱量需求很小，待機狀態下發熱量更是微乎其微。

當工程師參考最惡劣的場景來設計手機時，要保證各個元器件在所有工況下溫度都能受控，產品很可能會被做的非常笨重，但這些為極限工況準備的設計在大多數情況下都用不到。散熱外設的出現比較有效地解決了這個難題：當在極限工況時，可以通過施加外部移熱手段來輔助降低設備溫度，不需要時，外設可以被方便地移除。

從熱設計角度上看，散熱外設本質上是空間和能量的外拓。它使用原設備之外的空間和能量（許多時候還涉及到會產生噪音）來實現更強的溫控能力。

目前，消費終端領域，散熱外設基本分為三類：

1) 主動類：有風扇、泵、半導體制冷片等能耗部件，高效地轉移熱量，比如當前盛行的手機散熱背夾，如圖6所示；

2) 被動類：夾套、保護殼、支架等無能耗部件，通過利用材質本身的高導熱系數或改變被保護產品本身的放置狀態，來強化散熱，如手機殼、筆記本無風扇支架等，如圖7、圖8所示；

3) 混合類：既改變產品放置狀態，又通過能耗部件促進散熱，筆記本電腦的帶風扇散熱支架是典型代表。

圖6 某品牌手機散熱背夾，包含風扇、半導體制冷片[7]

圖7 某品牌散熱手機殼及其內部堆疊[8]

熱量傳遞效率受到材料熱物理性質、空間尺寸、熱量分布等影響，其中空間尺寸必然會被持續壓縮，而熱量的大小和分布也正趨向于使得散熱問題更加難解的方向演進。材料的熱物理性質固然可以通過技術工藝來改進，但其涉及到基礎原材料的進步，非常困難且緩慢。另外，當材料熱物理性質到一定程度，再去提升，對于改善綜合散熱效率的貢獻會逐漸衰減。有理由相信，散熱外設是解決當前智能終端散熱難題很現實的方向。從技術上講，散熱外設由于使用了外部空間，其靈活性大大提升，完全可以將過往的風冷、液冷經驗再填充到外設中去嘗試。

2、進一步提高集成度，加大散熱空間

提高集成度，對散熱而言是一把雙刃劍：一方面，它可以騰出空間，使得散熱方案靈活性增強，另一方面，它使得熱量更加集中，擴散熱阻對溫度的影響變得更大。

自屏蔽封裝(圖8)、類載板技術、3D封裝（圖9）等都在盡可能提高電子元器件的集成度且已經大規模商用。但類似于材料性能提升，其對散熱的貢獻也存在邊際遞減效應。而且，即便不考慮其熱量集中帶來的溫度惡化問題，其本身的技術進步對能夠爭取到的空間效益也在減小。從熱設計角度考量，這中間存在一個平衡點：提高集成度帶來的散熱空間被充分利用導致的散熱優化幅度，剛好可以解決熱量集中帶來的溫度惡化效應。

圖8 自屏蔽技術帶來的空間改善[9]

圖9 芯片封裝技術帶來的空間改善示意：左-傳統PCB；中-2.5D硅通孔互聯技術；右-3D封裝[10]

3、微通道冷卻系統

在設備內部最接近熱源的位置建立微通道，在微通道內泵入循環流動的可控溫流體被廣泛認為是下一代熱管理技術[11][12]。使用導熱界面材料（如導熱凝膠、導熱墊片、導熱硅脂等）將發熱源熱量傳遞到外部的固體結構件上，固體結構件再將熱量傳遞到空間中，是當前絕大多數電子產品的熱管理方式（如圖10所示）。

圖10 常規熱管理方式示意。其中固態的結構件形態有很多種類型，如薄片、厚板、翅片狀或針狀散熱器、水冷板等，此圖僅為示意[3]

可觸摸類終端通常存在被移動屬性，目前全部采用上述方式進行溫度控制。從傳熱學的基礎原理上分析，任何環節都有傳熱熱阻，熱沉越接近發熱源頭，熱管理效率越高。由于材料電阻、介電損耗、磁滯損耗的天然存在，元器件在處理信息的過程中將這些電能轉化成了熱量。熱量產生的位置并不是芯片的表面，而是有電流流通的位置，如晶體管上、鍵合線上、焊球上、PCB內部的導線上等。電能的供給目前是通過導線在PCB內分配、傳輸的，將熱量（或冷量）也參考類似的思路，集成到單板或元器件內部進行換熱，無疑是一個極具研究價值的主題。

當前，隨著封裝技術和芯片制程工藝的演進，設備熱量集中現象越來越明顯，內部空間狹窄和極大的市場需求，使得熱管和均溫板行業被倒逼著在數年內從最薄的1mm進步到0.3mm，2016~2018年之間，熱管和VC減薄工藝近乎數月就會有新的突破。厚石墨烯的制造工藝也在近兩年取得了突破。但接下來呢？封裝技術和芯片制程技術并未達上限，熱量的集中程度會繼續提高，而熱管、均熱板、石墨烯等目前被認為是最高效的熱量轉移部件制造工藝卻已陷入瓶頸。熱設計要深度匹配半導體發展節奏，切入底層，開發集成熱路，是為半導體行業發展貢獻熱學智慧的重要方向。

圖11 微通道冷卻或3D片上冷卻[12]

微通道流體冷卻效率已經被實驗證實很高[12]，但這是一個尚未被商業化的方向。這種片上冷卻，由于熱路與電路太近，以至于很可能不得不進行熱、電協同設計才能確保產品按照預期目標運行。其大面積推廣將建立在許多技術甚至科學問題被解決的前提之上:

1) 微通道的嵌入工藝：微通道將會貫通元器件，并在單板內部穿梭，和冷量提供部件結合，從工藝上實現這一結構，保證密封性和長期可靠性，并無先例；

2) 流體在微通道內的流動和傳熱狀態：微流體力學已經建立了大量理論，但在芯片和單板內部，還存在反復高頻交變的電磁場，其與流動的流體之間產生的相互影響，以及這種影響對換熱效率、對信號處理帶來的效應并不清晰；

3) 流體本身的物理性質：流體的導熱系數、粘度、密度等熱物理參數，以及導電率、介電常數、磁導率、介電損耗、磁滯損耗等電學性能設計，對微通道結構形態甚至微通道冷卻系統的可行性有關鍵影響。

4、熱池

相對電能，熱量是一種品質更低的能量，其宏觀指標為溫度。低品位意味著外部許多形式的能量都可以自發地轉換成熱能，從而導致其在自然界普遍存在且更難控制。電的敏感性和可控性使得信息社會建立在高低電位的控制邏輯之上。

自然界存在半導體，微量的雜質摻雜即可大幅改變材料導電性，但至今尚未發現熱的半導體。本文提出的熱池，是相對電池而言的，雖然并不違背熱力學第二定律，但結合當前人類電池技術的現狀，它難度更大，更像是一種猜想。熱池功能的發揮甚至建立在微通道冷卻技術被攻克的基礎之上，就像電池必須要有電能輸運線路一樣。熱池需要具備如下功能：

1) 能夠在很小的體積內高效吸收存儲大量熱量；

2) 能夠在很短的時間內釋放出存儲的熱量；

3) 上述過程可以多次循環進行。

圖12熱池的概念

這些特性與已經在當前消費類終端中廣泛使用的儲熱片基本相同，只是儲熱片的儲熱能力過低，不能稱為熱池。我們仍以電學中的功能元器件來類比，儲熱片只能充當類似電容的功能，而非電池。

和電池類似，熱池也并非適用于所有的消費終端，它只針對那些短時間應用、可間歇性關斷的設備。搭載熱池技術的產品，設備在工作時產生的熱量被儲存起來，在不被使用的時候則將熱量釋放。熱池技術普及后，移動式電子產品可以充冷，成為克服當前材料導熱性、散熱空間限制的另一方式。

寫在文后

電子產品的熱問題正在以前所未有的速度引起人們的重視。本文簡述了當前可接觸式消費電子產品的熱管理現狀和面臨的限制，指出在當前的技術水平和設計框架下，手機等產品散熱已達上限，難以應對持續攀升的熱量。結合傳熱學基本特征，作者以可實現性為序，提出了散熱外設、提高集成度、建立微通道熱管理系統和熱池等幾個思路方向，簡述了各個方向面臨的問題，為電子產品熱管理技術研究提供參考。

仿真 xiu專欄作者 陳繼良