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导热「差生」不锈钢,为何成为手机大厂新宠?

雷科技 2023-11-29 13:40 发文

换一个「地方」发光发热。

如果说,今年 iPhone 15 Pro 系列内部最核心的变化是采用了最新台积电 3nm 工艺的 A17 Pro,那外部最核心的变化,显然就是从不锈钢中框换成了钛合金中框,直接的好处就是 iPhone 15 Pro 系列的整机重量有了明显地降低。

不算意外,毕竟不锈钢真的很重。

不过与此同时,我们又能看到,在苹果之外,不锈钢 VC 均热板已经成为了手机散热的「新宠」,正在越来越多地取代过去的「铜」VC 均热板。仅仅是本月发布的热门机型中,至少就有 iQOO 12 系列、荣耀 100 系列以及即将发布的红米 K70 系列,公开宣称采用不锈钢 VC 均热板。

荣耀还重点宣传其采用的广域不锈钢仿生 VC 用上了行业领先的不锈钢冲压钝化工艺,性能相比行业不锈钢 VC 提升至少 9%。

图/小米

红米在 K70E 的宣传上号称搭载了 5000mm² 的不锈钢 VC 均热板,在 K70 Pro 上更是着重强调了大面积的「不锈钢环形冷泵」,理论上应该就是小米 14 系列上「环形冷泵」设计的不锈钢版本。

不锈钢不是今天才开始成为手机散热的一种选择,其实早在 K30 上,红米就就开始采用了不锈钢 VC 均热板,之后 iQOO、一加、红魔、三星等尝试。今年年中,小米更是在旗下卖得最贵的 MIX Fold 3 上配备了 1850mm² 不锈钢 VC 均热板,搭配高密度石墨。

小米 MIX Fold 3,图/小米

今时已不同往日,手机厂商越来越普遍地在产品采用不锈钢 VC 均热板,从中端性价比机型到高端折叠屏机型。在 VC 均热板代替热管设计成为主流手机散热系统的核心之后,不锈钢看起来终于有能力全面替代铜了。

手机散热,从热管到 VC 均热板

说句可能有些武断的话,散热是一个可能永远无法被「解决」的问题。一代通信技术、一代芯片甚至是一代产品都会需要一代新的散热系统。尤其智能手机进入 5G 时代之后,芯片性能、数据传输速率、射频模组等都有着巨大提升,无线充电、NFC 等功能逐渐成为标配,手机散热压力持续增长。

可以说,散热已经是整个智能手机行业的一门「显学」。

而在这门「显学」中,我们常常从厂商嘴里听到的 VC 均热板,就是目前手机散热系统的核心。除了苹果之外,几乎所有主流手机厂商都会在中高端机型采用了这一设计,以此提高整个系统的散热性能。

左侧为均热板,右侧为热管,图/小米

在 VC 均热板之前,手机散热最核心的部分可能还是通过热管导热,原理是通过腔体中的冷却液从液体变为气体吸收热量。当气体触及到温度较低的区域时,凝结为液体释放热量。液体通过腔体内的毛细结构(吸液芯)再回流到发热区域,循环往复,将发热部位产生的热量带走散发掉。

VC 均热板的工作原理其实与热管类似,同样包括传导、蒸发、对流、冷凝四个主要步骤,利用水的相变进行循环散热。两者的差别主要在于热传导方式不同。热管的热传导方式是一维的,是线的热传导方式,而均热板的热传导方式是二维的,是面的热传导方式。

图/ iQOO

相对于热管,首先均热板与热源以及散热介质的接触面积更大,将热量向四面八方传递;其次使用均热板可以使热源和设备直接接触降低热阻,而热管则在热源和热管间需要嵌入基板;最后均热板更加轻薄,更能够适应手机集成化、轻量化的趋势。

但在很长一段时间内,导热系数更高的铜 VC 均热板都是市场主流,不锈钢又是如何杀出重围的?

以硬制胜,不锈钢不走寻常路

铜和不锈钢,其实都是我们在日常生活中极其常见的金属材料,铜带着红橙色的金属光泽,有极强的导电性和导热性,被广泛应用在各种电子产品当中;不锈钢通常以耐腐蚀、防锈著称,广泛应用在各种生活用品中。

具体到 VC 均热板上,除了导热性能较差,不锈钢 VC 相比铜 VC 有多方面的天然优势。

首先需要明白,VC 均热板实质上是一片带有中空结构的金属,需要在内部进行设计和挖空,会对结构强度造成一定影响。

均热板,图/小米

而不锈钢比铜的强度更高,即使在更薄的情况下也能有更好的强度,所以不锈钢 VC 均热板理论上可以做得更薄,更能适应智能手机高度集成化的趋势。

与此相比,根据知名「果链」公司领益智造说法,他们研究发现铜虽然导热性能好,但经过高温处理后变软,力学性能很差,这种产品很难实现 0.3mm 甚至 0.2mm 更薄的厚度。当然,就算实现了超薄的厚度,相应成本也会有明显的提升。

而也正是由于不锈钢材质的强度更高,在结构强度前提下,可以把 VC 均热板的面积做得更大,覆盖更多热源和散热介质,进一步提高整机的散热效率。

就如前文所提,VC 均热板可以代替热管成为手机散热的核心,很重要的一点在于从「线」到「面」的转变,大幅提高了散热效率,这也注定了 VC 均热板的面积的重要性。

红魔 9 Pro,图/红魔

了解目前手机市场的朋友相信都知道,手机厂商在散热方面的宣传,通常都会重点强调 VC 均热板的面积,以凸显手机的散热性能。虽然有一定的「参数」导向,但也确实在一定范围内符合「VC 均热板越大,散热越好」的道理。

而除了厚度和散热面积上的优势,不锈钢还有一点比铜好:更便宜。

这种成本上的优势主要体现在原材料和加工环节,一方面是不锈钢的价格要远远便宜于铜,另一方面在工艺上也有更多的提高空间。领益智造在 2021 年表示,「领益智造结合内部在冲压工艺上积累的优势,成功应用冲压工艺代替了传统蚀刻工艺,在成本上可以瞬间获得 10% 以上的成本降低。」

此外,不锈钢的导热系数虽然比铜要低不少,但在均热板的设计中,主要都是通过内部的气液相变过程实现热量扩散,金属导热系数的重要性已经大幅下降,再加上可以更薄的缘故,实质上对于导热效率的影响就更小了。

不过还是要指出,除了偏向性能的一部分,目前更多的旗舰产品线仍然采用铜 VC 均热板,关键在于铜 VC 在重量、导热上还是有一定的优势,又能提供足够散热性能。

然而随着手机行业的发展,更薄更大的 VC 均热板会成为一种必然的选择。诚然未必就是由不锈钢取代铜,但至少可以肯定,不锈钢 VC 均热板相比铜 VC 均热板还有更多的进步空间。

追求散热,本质是追求性能

图/苹果

文章开头就说了,新一代 iPhone 最外面的变化在于不锈钢到钛合金的改变,最里面的变化则是 A17 Pro,更本质则是芯片性能。

但尽管苹果重点宣传了 3A 级别的游戏性能,iPhone 15 Pro 系列一经发售,一个老生常谈的问题——发热——就率先成为了大众关注的焦点,在全球范围内都有用户反映称自己的 iPhone 15 Pro 系列「烫手」,苹果也不得不在短时间推出多个系统更新,缓解发热问题。

我们之前已经分析过,iPhone 15 Pro 系列的发热问题是多个因素的共同作用,包括台积电 N3B 工艺的功耗不及预期,也包括钛合金中款更低的导热效率,当然还有苹果长期受人诟病的散热设计。

iPhone 15 Pro Max,图/ iFixit

根据 iFixit 拆解图可见,苹果在 iPhone 15 Pro 系列上依然没有采用其他厂商已经普遍使用的 VC 均热板、液冷等设计,只是采用了最早的石墨片散热设计。

计算设备对于散热的追求永远没有止境,核心在于对性能的无止境追求,而散热又是影响性能表现的关键一环。尤其是在智能手机上,有限的内部空间,一体化和堆叠化的设计,以及芯片工艺制程接近物理极限后发热问题,都会加重手机内部的热量堆积问题,从而影响性能表现。

过去几年,我们已经了连续两代的「火龙」芯片,因为发热导致性能问题,进而引发的糟糕体验不绝于耳。以至于在那两年,手机厂商不得不开始「卷」散热,甚至在一定程度上整体提高了安卓阵营的散热设计和研发能力。

也是在那两年,相信无数人已经深刻地认识到,发热和散热对于手机体验会有何等之影响。

      来源:雷科技

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