2025年AI终端变革之散热：性能跃升驱动散热系统升级

1. 性能提升的基础：散热能力持续提升

1.1. AI 功能升级带来新增功能和性能需求

端侧 AI 对硬件的改造是全方位的，体现在功能增加、性能要求提升等方面。端侧 AI 有输入望改变人和消费电子终端以及终端与 app 的交互方式，对硬件的改造包含了 感知/传输/处理能力的提升，落实到零部件升级上，我们认为可以分为三类。

1）感知能力提升去加强 AI 输入的便捷性，比如 iPhone 16 系列标配相机控制键以 加强视觉 AI等能力启动的便捷性，大幅提升麦克风的信噪比能改善 AI语音交互准确性 等。

2）处理和信号传输能力增强：如苹果论文《LLM in a flash》就提高针对端侧 AI运 行中内存限制下的解决方式等，我们认为硬件和软件方案需要同步提升以实现 AI 的高 效运行。这方面的升级反应至 Apple intelligence 的设备限制上，仅支持 A17 Pro 以及 M 系列芯片以上的设备。即使是云端运行的 Agent模型，对设备的要求也较高，如智谱的 AutoGLM 中就提及，个人操作轨迹的数据在采集过程中受限于网络连接和最大并行速 度而效率较低，非常消耗设备的内存。

1.2. 散热问题随着性能水涨船高

散热能力是发挥芯片性能的核心保障，散热能力需要根据设计匹配功耗和设计。 对于消费者而言，可靠性和稳定性越强，使用体验感就越强。数据表明温度、湿度、 灰尘是影响电子电气产品稳定性和可靠性的主要因素。当温度为 70℃-80℃时，每上升 10℃,其可靠性下降 50%，而电子设备的失效有 55%是温度超过允许值而引起的。若没 有强大的散热能力，随着功耗的增加，设备将出现降频、发热和闪退等问题，体验将 大打折扣。

散热也将反过来制约硬件的设计，散热能力的提升将为设计留出空间。智能手机 内部，散热材料会占据相当的内部空间。若通过材料升级等方式提升散热效率，腾出 的空间将为电池、主板、传感器等留下充足的提升空间。同样，韩媒 The Elec 报道， 三星应苹果要求，开始研究新的 LPDDR DRAM 封装方式——独立封装。2010 年起， iPhone 就采用堆叠式封装（POP）方案，内存直接叠在 SoC 上通过 Pitch 连接以最大限 度减少设备体积。但是 PoP 技术由于芯片过于靠近，端侧 AI 负载要求下带宽和散热问 题严重。通过分开封装 DRAM 和 SoC，可以增加 I/O 引脚数量，提高数据传输速率和 并行数据通道数量，并改善散热性能，显著提高内存带宽并增强 iPhone 的 AI 能力。

散热升级是功能创新的底层能力之一，随着性能和设备空间变化需求不断提高， 会是一个持续出现并持续被解决的问题。数据处理过程中频繁的电信号转换和传递导 致电流通过内部晶体管和电流，电阻的存在将电能转化为热能从而产生热量。散热问 题的根源是手机越来越高的性能、越来越轻薄的形态和越来越紧凑的设计。功能模块 增加挤占空间、性能提升、形态变化都会带来散热需求的大幅增加，也是散热行业需 求和格局变化的关键节点。

TDP 随着 SoC 性能的提升趋势向上。TDP（散热设计功率）是散热系统设计的核 心指标，代表着 SoC 对散热系统散热能力的要求。随着 CPU 和 GPU 等频率和算力提升 以及 NPU 的算力快速增长，SoC 对系统散热要求整体提升。2020 年发布的 A14 TDP 为 6W，2024 年发布的 A18 Pro 芯片提升至 8W。

2. 散热是从里到外的系统工程

由内到外需要多环节进行热量传导。CPU 或传感器等热源产生的热量，首先采用 热拓展装置将局部热点产生的热量快速扩展至更大的表面积进行散热，以防局部过热 的问题，这一环节多采用石墨膜。然后经过导热界面材料传导到热管或均温板，热管 或均温板再将热量快速传导至石墨膜后再均匀散开，石墨膜在手机平面方向把热量传 导到金属支架及手机机壳，最终实现热量向外界环境的转移。

目前电子产品主流的散热方式包括人工合成石墨散热膜、导热凝胶、热管、均热 板、散热片、风扇、液冷等。各类电子产品可以根据内部空间、散热需求和成本预算 等选择不同的散热方式组合。

具体到手机上，导热界面材料/热管 or 均热板/石墨散热膜的组合是主要的散热方 式。由于手机对轻薄化、高性能、功能集成的要求高，一般不采用风扇和液冷方案。 同时单一的散热材料逐渐被多种散热组件构成的散热模组替代。传统的智能手机通常 采用“导热界面材料+石墨膜”散热方案，近年来导热界面材料+石墨膜+均热板的方案 已经成为中高端智能手机的主流选择。

热阻值是散热设计的核心参数。芯片安装在 PCB 上，IC 产生的热量会流向散热材 料和 PCB。根据基尔霍夫定律可以估算流向散热器和 PCB 的热量：流过每一侧的热量 和热阻值的倒数成正比。也就是说，通过使带散热器的一侧热阻尽可能低，流向散热 器的热量比例就会增加；同样的，若 PCB 的散热能力有所增强，也可以通过降低热阻 以提高流向其的热量比例。 PCB 和元件散热既需要增加耐热能力，也需要增加其导热能力。元件端如一体成 型功率电感不仅能助力小型化，还能适合高功率大电流的场景。而 PCB 也正在通过提 高层压精度，埋铜增加散热能力等方式提高其散热能力。

根据热预算进行热阻匹配设计，再进行各元件散热设计，减小厚度/选择高热导率 材料/增加面积有助于减少热阻。热阻值的定义是物体两端温度差和热源功率的比值 R= （T2-T1）/P，T1 和 T2 分别为物体两端的温度，P 为发热源的功率。参照 A18 Pro 8W 的 TDP，假设 80%流向散热片，芯片温度和最高环境温度分别是 85/45℃，则散热片一 侧的目标热阻是 6.25K/W。而由于热阻=L/kA（L 为材料厚度、K 为材料的热导率，A 为平板垂直于热流方向的截面积），也就是说厚度越小、材料热导率越大、散热面积 越大，热阻越小。确定好目标热阻后，需要为各个元件设计散热目标，使得散热元件热阻的总和低于目标热阻。

3. 散热材料方案选择多样，VC 均热板为核心路径

3.1. 热界面材料建立热传导通道，需求稳健增长

导热界面材料（TIM）通过降低接触热阻，在元器件和散热器之间建立高效热传 导通道。由于微电子材料表面和导热散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果 将它们直接安装在一起，则它们之间的有效接触面积较小，其余均为空气间隙，而空 气为热的不良导体，导热系数极低，将使得电子元件与导热散热器件的接触热阻非常 大，严重阻碍了热量的传导，最终造成导热散热器件效能低下。使用具有高导热性的 导热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的 热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，提高导热系数，使散热器的作用得到充分地 发挥，其中导热系数是核心参数（单位为 W/m.K）。

导热界面材料（TIM）需要综合考虑导热/绝缘/密封/稳定性等属性，同时需要不 断提高导热系数。首先需要根据设备的使用场景、稳定性和寿命等因素选择合适热界 面材料种类。相同种类同等厚度下的导热材料热导率越大越好，但是一般热导率越高 越好，但是一般热导率越高的材料成本也越贵。

热界面材料市场稳步增长，规模超百亿，下游以消费电子为主。根据 QY Research， 2022 年全球导热界面材料市场规模约 103 亿元，预计 2029 年接近 170 亿元，CAGR 为 7.4%。2022 年中国导热界面材料市场规模约为 43 亿元，预计 2029 年约为 54 亿元， CAGR 为 8.45%。2023 年，我国热界面材料下游主要应用领域为消费电子、新能源汽 车、通信技术、医疗等领域。其中消费电子领域占比最重，占比为 46.70% ，通信设备 领域占比为 38.50%，是主要的下游应用。

当时市场以美日德等企业为主。从行业竞争格局看，日本信越、美国道康宁、德 国汉高、杜邦。富士高分子、莱尔德等是主要供应商，同时由于热界面材料应用广泛， 供应相对分散。国内主要企业包括苏州天脉、中石科技、傲川科技、阿莱德等。

3.2. VC 均热板：制伏 SoC 发热的核心方案

3.2.1. 热管→均热板，点散热→面散热

热管利用工作介质在真空条件下低沸点的原理，实现常温下急速将热量从加热端 传导到冷凝端，然后液体通过腔体内的毛细结构（吸液芯）再回流到发热区域，适用 于需要将热量快速传导的场景，尤其适用于热量需要远端转移的场景。

VC 相比均热板。VC（真空腔均热板散热技术），其散热的基本原理与热管类似， 同样是利用水的相变进行循环散热，热管只有单一方向的“线性”有效导热能力，而 VC 相当于从“线”到“面”的升级，可以将热量向四面八方传递，有效增强散热效率。 根据 PConline 资料，热导管散热的导热系数为 5000～8000W/(m×k)，而 VC 导热系数 则可以达到 20000W/(m×k)以上。

由于 VC散热面积更大，可以覆盖更多热源区域达到整体散热，设计上也更加灵活， 且 VC 更加轻薄，符合目前手机轻薄化、空间利用最大化的发展趋势。因此 VC 均热板 替代热管，成为搭配石墨散热膜作为散热主材的主要方案。

3.2.2. VC 均热板持续进化

VC 均热板由上下金属壳板、支撑柱、真空腔体（蒸汽腔）、吸液芯和其中的液体 （工质）组成。随着 AI 终端往高性能、高集成和轻薄化的方向发展，除了满足散热要 求外，VC 均热板进一步轻薄化、减重、可折叠是核心研发方向。

VC 均热板由两种典型的传热路径，手机一般沿着长度方向传热。两种典型超薄均 热板传热不同之处在于，蒸发端和冷凝端位置，传热方向、蒸汽和液体流动方向不同， 一种是沿着厚度方向传热，可以通过大面积冷凝带走更多热量；一种是沿着长度方向 传热，可以传递较远距离并且保持优异的均温性能。而移动电子设备由于狭小空间散 热需求，超薄均热板沿着长度方向传热具有更优的均温性，能够有效保证芯片热量快 速传递至电子设备壳体，散热效率更高。

蒸汽腔厚度减小到 0.3mm 以后蒸汽阻力急剧增大，不改变结构的情况下达到超薄 化瓶颈。当蒸汽腔厚度减小至 0.3mm 以后，超薄均热板热阻急剧增加，并且随着蒸汽 腔厚度进一步减小，蒸汽流动产生的热阻占总热阻的比重也越来越大。相比常规薄度 下主要考虑液体流动，在极端超薄厚度条件下，蒸汽在真空腔体内的流动阻力随着蒸 汽腔厚度减小而急剧增大，成为制约轻薄化的关键。此外，蒸汽腔厚度极小时，由于 尺寸效应会导致蒸汽通道内液塞形成，阻碍蒸汽流动，还会抑制液体发生相变过程， 导致传热性能急剧下降甚至失效。因此要实现极端厚度条件下超薄均热板的气液运行， 需要综合考虑液芯结构和蒸汽腔空间设计。

根据超薄均热板的工作原理，需要液体顺利回流至蒸发段实现气液循环，内部要 满足压强平衡，即吸液芯驱动液体流动的毛细压力＞蒸发段到冷凝段蒸汽流动阻力+冷 凝段到蒸发段液体流动阻力+液体重力压降。主要通过优化气液通道降低蒸汽流动阻力， 同时也需要设计吸液芯结构以提高洗液芯毛细压力并降低液体流动阻力。

1、气液共面是优化气液通道的核心方向

根据 VC的气液通道排布方式可以分为气液异面和气液共面结构，气液异面方式的 相变方向与厚度方向一致，共面方式与宽度方向一致。

传统 VC基本是气液异面结构设计，气液运动在不同平面进行，相互干扰较少。但 是气液异面 VC 始终需要计算吸液芯和蒸汽腔厚度之和，过于减少蒸汽腔厚度会导致 蒸汽阻力急剧增大和形成液膜，难以实现 0.4m 以下厚度的超薄化。 气液共面结构通过将蒸汽通道和液体通道排布在厚度方向上的同一平面，总体厚 度可以进一步下降。另外通过合理的气液通道交替设置，气液共面均热板在宽度方向 上也可以实现较好的拓展，特别适用于散热面积较大的场景。

2、吸液芯结构设计和加工难度复杂

吸液芯是驱动液体回流，提供液体流动通道，完成气液循环的重要部件。根据结 构的不同，可分为微沟槽型、粉末烧结型、泡沫金属型、丝网烧结型和复合结构型。 此外，随着微纳加工技术的兴起，微纳复合尺度吸液芯也受到高度关注。其中丝网烧 结具有孔隙率大、厚度薄、结构规则、柔性好等有点，非常适合目前均热板的超薄化 需求。 吸液芯精密度较高，加工工艺多样，可综合运用冲压、激光加工、蚀刻和微纳加 工工艺提升吸液芯的性能。

3、封装材料选择影响厚度和机械强度

由 VC 均热板原理可知道，散热主要通过内部气液相变过程，而与壳体材料关系不 大。壳体材料的选择更多考虑强度、可加工性能等因素。如壳体若强度不够发生塌陷， 容易导致 VC 均热板蒸汽通道变形，增大蒸汽阻力。 材料强度对 VC 厚度/整机强度影响大。上下壳体厚度达到 0.2mm，减少壳体厚度 是轻薄化的重要突破点。同时由于 VC 在手机中都需要挖空一部分中框，对中框的结构 强度也有一定影响。以不锈钢和铜的对比为例，由于不锈钢比铜强度更高，甚至可以 替代部分中框实现整机减薄，其次在保证同等中框强度的前提下可以让 VC 覆盖更多的 部件，进一步增强整机的散热效率。

根据具体的需求场景，铜、不锈钢和钛等金属材料是 VC 均热板壳体材料的主流选 择，随着柔性化要求提升，聚合物也成为壳体材料选择之一。

3.2.1. VC 均热市场规模持续扩大

随着 VC均热板尺寸增大，新材料的放量，单价整体呈现向上趋势。根据苏州天脉招股书，2023 年 VC 均热板单价来到 6.6 元，明显高于 2021 年和 2022 年。 根据 Research and Markets 等，2024 全球 VC 均热板市场规模为 12.4 亿美元，相比 2022 年提升 57%，预测 2032 年全球市场规模将达到 36 亿美元，2024-2032 年 CAGR 为 14.2%。

3.3. 石墨：多层堆叠提升用量以提高散热性能

性能优异，在手机散热中大规模应用。石墨晶体具有独特的六角平面网状结构， 具有耐高温、热膨胀系数小、比热容大、可塑性强、占用空间小等特点。同时石墨的 晶体结构决定了在 X-Y 轴上导热系数高达 300-1900W/(m.K)，人工石墨一般热导率在 1000～1500W/(m.K)，而铜和铝一般在 200～400W/(m.K)，因此石墨可以更快的将热量 传导出去。同时石墨在 Z 轴热导率极低，几乎起到了隔热的效果，因此石墨具有良好 的均热效果，可以有效防止电子产品局部过热。石墨散热片大规模应用在手机散热中。

石墨片层数不断增加，模切难度日益提升。石墨散热片是石墨散热膜经过模切后 的产品。模切工艺是实现各类功能膜材料层层堆叠的重要途径，通过模切工艺可以在石墨膜基础上堆叠其它功能膜材料，实现散热导热功能外的其它功能，主要包括保护 膜、离型膜和胶带等。多层石墨叠加可以增加热传导的路径(对比单层石墨），热量能 更快速更均匀的传递，同时能够针对终端内部结构的高低落差能起到更好的贴和作用。 而层数的增加带来工序的大幅增加，对每一步产品良率要求提升，考验厂商对复杂结 构的设计、材料特性的掌握和工艺技术的优化。

从下游细分市场看，石墨散热膜主要应用在手机、平板电脑和笔记本电脑等消费 电子上，其中手机占比约为 2/3，是最主要的下游应用。根据华经产业研究院，2020 年 单台手机的石墨膜价格在 2-5 元；根据苏州天脉招股书，估算其覆盖的手机/平板和笔 电市场的石墨膜需求就超过 70 亿元。

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