你的手机是“谁”在散热?

2017-09-26 14:55:13 来源:靖江科普网 编辑:风云

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“你的iPhone X会发烫吗?”……近日,iPhone X/iPhone 8等苹果新机型发布后,华为Mate10/三星Note8/小米Mix2等手机也即将发布。

这些轮番登场的新款手机性能越来越强、机身也越来越轻薄,除了这些新机型闪亮的外在功能外,其散热功能也在不断更迭。相关科技的进步,让这些不为外人所关注的散热材料已经“身披铠甲”,战斗力爆表。不妨让我们一起来看看这手机散热功能里蕴藏的“黑科技”。

机身轻薄 “散热”战斗升级

随着信息科技的发展,手机朝着轻薄以及高性能的方向发展。清华大学热能工程系博士生黄干告诉记者,以苹果手机为例,从2008发行的iPhone 3G到2016年发行的iPhone 6s plus,厚度由12.3毫米 变为7.3毫米。目前世界上最薄的手机vivo X5 Max仅4.75毫米。刚发布的iPhone X所使用的A11 Bionic处理器的四个能效核心速度比上一代的 A10 Fusion 最高提升 70%,两个性能核心也有了最高达 25% 的速度提升。

不过,与之相伴生的问题也来了,随着芯片处理能力的大幅提升,其发热也愈加强烈。黄干表示,越来越薄的机身也使得内部的散热结构更加难以布置,电池能量密度越来越高。去年三星某型号手机爆炸事件,将手机芯片散热和电池热管理问题推向了高潮。

“手机内部发热主要是由CPU芯片运行产生的热量,其需要透过金属屏蔽壳、内部空间以及手机外壳散发到环境中。”黄干表示,手机散热设计的目的就是如何将这部分热量迅速且均匀地散发到环境中。“手机散热结构需要采用高导热材料,同时也应当考虑热膨胀等带来的可靠性问题以及散热材料价格成本问题。”

你的手机是“谁”在散热?

黄干告诉记者,当前商业手机的主要散热思路是将芯片的热量均匀地疏导到手机外壳,其中主要包括导热硅脂散热、石墨散热、相变散热、热管散热等等。

“导热硅脂散热最常见了,通常填充在间隙中,让热量顺利从芯片传导到外壳,在芯片和外壳之间起到牵线搭桥的作用,也是一种最为常见的强化散热方法。”据了解,导热硅脂散热几乎应用于所有的电子器件散热。“比如华为荣耀P10就是采用导热硅脂散热,将芯片的热量均匀疏导到手机主体金属框架中。”

“石墨片的导热性能较好,同时石墨较为柔软,很容易和热表面进行无缝隙贴合,促进散热。”黄干说,小米5手机的内部就贴了一层石墨膜,主要目的是使得热量均匀疏散到大面积手机壳上。不过还是很多用户反馈小米5在运行时依旧发烫。黄干表示,小米5的用户们可以考虑在手机CPU金属屏蔽壳和石墨片之间涂上导热硅脂,这样手机温度会明显降低。

那么,苹果手机又是如何散热的?“苹果手机作为业内大牛,其采用的石墨散热设计结构相对较为合理。其中CPU金属屏蔽壳两面都贴有石墨膜,同时内部还有一个贴有石墨膜的导热金属板,以减小接触热阻,使得CPU的热量顺利的传导到金属板和外壳中,再通过大面积的金属板及外壳散热。”

此外,号称“充电5分钟通话2小时”的OPPO手机,在手机散热设计上也不走寻常路。“之前它们宣称的‘冰巢散热’其实就是采用类液态金属。芯片温度升高时,类液态金属从固态变为液态进行吸热。液态金属导热膏的导热系数高达20 W/(m.K),是传统导热硅脂的4-20倍,其散热效果更加优异。不过液态金属的流动性、毒性和挥发性所带来的危害也值得进一步研究。”

最后一种就是热管散热,比如Lumia950 XL 就是通过热管将CPU上的热量快速导出,不过目前手机由于空间限制,而且散热需求没有电脑那么大,所以目前手机中使用热管散热的较少。

未来还有哪些散热黑科技?

除了以上常见的手机散热方法,目前还一些尚未大规模应用在手机上的芯片散热黑科技,如碳纳米管阵列热界面材料等。

黄干告诉记者:“碳纳米管阵列热界面材料导热系数较高 ,纳米管阵列就像刷子一样,用于界面散热的时候,大大增加了接触面积,十分有利于热量顺利导出。目前已经规模化生产,很有可能成为下一代手机芯片高效散热技术。”

同时,聚合物薄膜热界面材料因为导热性能较高,柔韧性好,同时价格成本低,也可能将是未来手机芯片散热新方向;金刚石散热材料有极高的导热性能,可以将芯片热量迅速导出,“不过目前常见的CVD金刚石力学柔韧性较差、价格较为昂贵,所以应用较为有限。随着金刚石生长技术的发展,质量越来越好,价格越来越便宜,也将成为未来的散热明星。”

更让人惊奇的是,黄干还提到了一种“仿生发汗冷却”这种散热黑科技。“仿生发汗冷却,就是仿照自然界中树木蒸腾作用或动物皮肤的出汗过程,利用持续相变对高热流密度表面进行散热。”据了解,目前清华大学的团队研制的仿生树木蒸腾作用发汗冷却主要用于航天领域高热流密度冷却,有望将航天技术转为民用;武汉大学的团队研制的纳米仿生皮肤发汗冷则采用水凝胶技术,主要用于手机的芯片冷却。

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如何避免“掌上宝”

变成“暖宝宝”?

如今,手机已成为人们的掌中宝,怎么才能避免你的“掌上宝”变成“暖宝宝”?

黄干表示,使用手机时首先尽量避免持握手机集中发热部位,如芯片部位。“人体是一种相对低导热的物体,触碰不仅影响体验,而且容易阻隔散热。例如横屏打手机游戏时,一般手机有一个角会比较热(芯片区域),此时可以尽量避免一直持握在该区域。”

“此外,充电的过程也会由于电阻发热等产生一定的热量。睡觉时建议不要把充电的手机放在枕头下面或被子里。也不建议边充电边运行大型游戏。”黄干说。

此外,要合理选择手机保护壳。“不推荐使用非金属的手机保护壳,非金属手机保护壳相当于手机穿上了一层的棉衣,内部再好的散热结构也无济于事。”如果一定要使用保护壳,建议使用带有微小孔结构的金属保护壳,这种小孔结构某种程度上增加了换热面积,有利于散热。目前,市面上部分手机散热结构还是存在不合理地方,不过,黄干认为,通过自己简单的手动DIY即可改进散热效果,不过为了避免危险,不建议非专业的用户进行改装。

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