智能手机热设计

智能手机介绍
AlexanderMahone是美国电视剧《越狱》(Prison Break)里的重要角色，由William Fichtner饰演。Mahone于第二季第一集开始出现，为联邦调查局FBI的探员，有14年专门追捕监狱逃犯的经历。他识破了Michael纹身的秘密,当主角Michael Scofield（Wentworth Miller饰）成功带领福斯河监狱（Fox River StatePenitentiary）八名囚犯逃狱后，Mahone获任务追捕他们。Mahone成功追捕当中四人，但他却在巴拿马被捕，并在第二季大结局进入SONA监狱。

越狱的Mahone剧照

Mahone的经典剧照就是拿着那台摩托罗拉RAZR V3的手机通话。2004年9月，摩托罗拉发布旗下全新翻盖手机RAZR V3。刀锋系列横空出世，摩托罗拉V3最吸引人的地方莫过于它的机身设计，整机采用航空级铝合金打造的超薄精锐机身，机身最薄处仅为13.9mm。如果说当年摩托罗拉通过RAZR系列重新定义了翻盖手机，那么2000年正式发售的ACCOMPLIA 6188则开启了智能手机的大门。
智能手机，是指像个人电脑一样，具有独立的操作系统，独立的运行空间，可以由用户自行安装软件、游戏、导航等第三方服务商提供的程序，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的手机类型的总称。无线接入互联网、PDA属性、性能卓越、人性化、功能强大以及炙手可热都是智能手机的属性标签。

智能手机

智能手机的热设计主要工作是在满足所期望的性能和热功耗下,外部壳体表面和内部元件结点温度满足设计要求。
元件结点温度过高会影响到元件可靠性，甚至减少智能手机的使用寿命。此外，过高的元件结点温度也会降低到手机的工作性能。例如，高通骁龙845芯片的最高允许结点温度为85oC。
智能手机由于会长时间的握持使用，过高的壳体表面温度会产生不良的用户体验，需要想尽一切办法来降低壳体表面温度。智能手机之前会参考标准IEC60950的可接触温度限值，如图3所示。标准IEC60950的限值不是特别严苛，各大手机厂商和运营商会确定更为严苛的表面温度限值，例如，中移动要求某些智能手机应用场景下，在环境温度为25oC时，表面最高温度需要低于45oC。为了寻求良好用户体验和手机工作性能之前的平衡，部分厂商将智能手机外壳表面被划分成不同区域。由于在智能手机使用过程中，人手、人脸和人耳均会接触到智能手机外壳表面，其中人耳的温度敏感性最高，人手的温度敏感性相对较低。所以，有些手机厂商会将手机上方1/3定义为人耳接触区域，下方2/3定义为人脸接触区域，在不同区域定义不同的最大允许温度，如图4所示。

图3 IEC60950的可接触温度限值

图4 智能手机外壳定义区域

智能手机的热功耗与使用场景有关，例如：待机充电、Wi-Fi在线看视频充电、打电话充电、照相开启闪光灯、游戏充电等不同使用场景下，内部元件的工作负载有所不同，即元件的热功耗有所差异。

智能手机热设计方案
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小米10 智能手机介绍
小米10是小米公司旗下的第一部5G智能手机，是一部“为了梦想打造的高端旗舰手机”，也是小米十年集大成之作，于2020年2月13日在国内正式发布。如图6所示，小米10采用左上角挖孔曲面屏设计，长度162.6毫米，宽度74.8毫米，厚度8.96毫米，重量208克，提供“钛银黑”“蜜桃金”“冰海蓝”三种配色可选。小米10搭载高通骁龙865处理器，后置1亿像素AI四摄，搭载4780mAh电池，支持30W有线快充。

图6 小米10 5G智能手机外观

小米10建议的使用环境温度为0oC~35oC，当环境温度过高或过低时，可能会引起性能降低。如图7所示为小米10的主要结构示意图，从上至下分别为显示屏、中框和VC均温板、主板、四摄模组、小板、电池、NFC线圈、无线充电模块和后盖。

图7 小米10主要结构示意图
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小米10 智能手机重要部件

小米10采用了双层主板的堆叠设计，如图8左所示为去除芯片屏蔽罩之后的主板正面（靠近显示屏一侧），最上方是大名鼎鼎的高通骁龙865芯片、依次分别为X55 5G基带芯片、UFS 3.0内存和SDR 865射频芯片。如图8右所示为去除芯片屏蔽罩之后的主板底面，在主板的底面主要有高通QCA6391WIFI 6芯片、电源管理芯片、WCD9389音频解码芯片、QDM2340射频前端芯片。

图8 小米10主板正面（左）和底面（右）

在主板下方是堆叠的一块小板，如图9所示为去除芯片屏蔽罩之后的小板底面（靠近后盖侧），其主要芯片有NFC芯片、无线充电芯片、无线充电2：1降压芯片、屏幕驱动芯片等。

图9 小板底面

小米10采用了四摄像头模组，搭载1亿像素定制大底镜头，四摄模组分别为13MP超广角镜头、2MP微距镜头、108MP主摄像头和2MP景深镜头。摄像头在工作期间，其热功耗较高。

图9 四摄模组正面（左）和底面（右）

小米10 智能手机热设计架构
小米10智能手机的热设计核心理念可以概况为“均温和高效热传导”。如图9所示，是小米10揭掉后盖之后的内部结构图。在后壳内侧布置了大面积的石墨片，从而保证后壳温度的均匀性。同时，在NFC线圈和无线充电模块区域也布置了多层石墨片，在进行无线充电时，降低模块区域的温度。

图9 揭掉后盖的小米10内部结构

在翻折NFC和无线充电模块之后，可以看到内部的4500mAh电池和主板盖板。其中主板盖板的局部区域也覆盖有铜箔用以均温，如图10所示。

图10 主板盖板铜箔均温

如图11为去除镜头保护盖板和主板盖板之后的内部结构。小米10在主板区采用双层主板的设计，主板下方堆叠一块小板。主板盖板的铜箔所在位置正对小板，铜箔的主要作用是辅助小板的散热。镜头保护盖板的下方为石墨片，对应的是热功耗较高的主摄区域。

图11 去除镜头保护盖板和主板盖板的小米10内部结构

堆叠的小板底面（靠近后盖侧）覆盖有铜箔，正面涂覆有导热硅脂。主板元件的屏蔽盖上方依次是铜箔和石墨片，并且通过导热硅脂与堆叠小板进行良好的热传导，如图12。

图12 双层主板之间的传导

主板正面和底面两侧均布置有高热功耗元件。主板正面元件屏蔽盖上采用了铜箔进行均温，在手机中框对应主板的区域采用VC均温板和导热凝胶，保证主板正面元件的热功耗可以有效传递至VC均温板，如图13左图所示。主板底面的元件屏蔽盖上方采用了铜箔、石墨片和石墨烯导热垫进行散热和均温，如图13右图所示。

图13 主板的散热结构

为了避免主板上芯片和电路的电磁场向外辐射引起干扰，在芯片上方会使用屏蔽盖。如图6-14左图为主板正面屏蔽盖上贴附了铜箔，图6-14中图为主板正面去掉铜箔之后的结构，图14右图为骁龙865局部放大图。其中屏蔽盖与865芯片顶面之间存在有一定的间隙。为了改善芯片与屏蔽盖之间的热传导，在这两者之间填充有导热凝胶，如图15所示。

图14 主板屏蔽盖

图15 芯片与屏蔽盖之间填充导热凝胶

小米10的四摄模组位于手机的左上方，如图16左所示，四摄模组的底面采用了铜箔进行均温。此外，在手机中框对应四摄模组的区域使用了大面积的铜箔和石墨片，确保四摄模组的热功耗传导至中框之后不会产生热点区域。

图16 四摄模组的主要散热结构

如图17所示，是小米10去掉显示屏之后的内部结构图。在显示屏内侧布置了大面积的铜箔，从而保证显示屏表面温度的均匀性。同时，手机中框使用了大面积的VC均温板和石墨片，尽量使中框具有良好的散热和均温性能。

图17 揭掉显示屏的小米10内部结构

小米10几乎采用了所有主流的导热界面材料来构建整个散热系统，这些界面材料形成了两条由内至外顺畅的热流路径。如图18所示，位于主板正面的芯片A的热功耗通过热传导的方式经过导热凝胶、屏蔽盖、铜箔、导热凝胶、VC均温板、铜箔至显示屏表面，最终通过自然对流或热辐射的方式进入至环境中。同理，位于主板底面的芯片B的热功耗通过层层材料至后盖表面，最终通过自然对流或热辐射的方式进入至环境中。小米10将内部高效热传导几乎做到了极致。

图18 主板芯片热流路径

小米10内部布置了用于监控环境、相机、闪光、CPU、无线充电、5G和4G芯片、电池、充电接口等实时温度的传感器，如图19所示。据悉，小米10采用了基于AI机器学习的温度控制策略，通过手机不同区域实时的温度数据，匹配最合适的AI温控模型，合理调配整机的温度控制策略，让手机的温控更加精准细腻。

图19 温度传感器位置

小结
“Are you OK！Are you OK！”
2015年4月雷军在小米印度举行的新品发布会上，向着会场不同方向的米粉亲切问候。2015年小米智能手机国内出货量第一，彼时的小米如果说是贴上了“量”的标签，那么2020年2月推出的小米10绝对是“质”的代表。高通骁龙865处理器，全系采用LPDDR5内存、WiFi6、UFS 3.0存储、1亿像素相机等，强悍的硬件配置使小米10的性能强大又全面。
小米10的热设计方案可以简单概括为“软硬兼施”。在小米10有限的空间内，VC均温板、石墨片、铜箔、导热凝胶、导热硅脂和石墨烯导热垫齐上阵，充分保证了小米10的优良传热路径和均温性。内部重要元件的热功耗，通过构建的热传导路径传递至外壳表面，最终主要以对流换热或热辐射的方式进入至环境中。在软件控制方面，小米10在多达20多个应用场景下进行热测试，记录瞬时的温度变化响应，匹配最合适的AI温控模型，合理调配整机的温度控制策略，保证了内外部温度始终符合热设计要求。如果要对小米10的热设计做个评价，我想说三个字“You are OK！”

以上内容选自《热设计的世界》一书

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热领科技是一家专注于电子、通讯、汽车、电力能源和数据中心等行业的整体散热解决方案供应商。提供完整的前端热仿真咨询、中期产品设计生产和后端热测试验证的全流程服务。有散热器、风扇、导热界面材料、热仿真咨询和热测试验证等产品和服务。在上海松江设有生产工厂和热测试验室。

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