电子行业应用解读 | 手机均热板的显微分析应用

在AI 手机高负载场景下，如游戏渲染、生成式 AI 图像生成等，用户常面临设备温升过快、算力波动等问题，核心原因在于 AI 芯片算力提升伴随的功耗激增。当前旗舰级手机 AI 芯片的峰值功耗已突破 15W，而手机内部紧凑的空间（主板面积通常不足 100cm²）导致热量难以快速扩散，进而引发一系列问题：一方面，高温会导致芯片动态降频，制约 AI 算力释放。另一方面，长期高温会加速电子元器件老化，据《印制电路板 PCB 热设计》（黄志伟等编著）数据，电子元器件温度每升高 2℃，可靠性降低 10%，温升 50℃时的寿命仅为温升 25℃时的 1/6。

在消费电子领域正迎来技术融合与体验升级的新浪潮，AI终端的爆发增长，AIPC以及AI手机实现本地高效算力支持，智能眼镜实时翻译，AR导航等实用功能的崛起。

从市场趋势看，AI 手机的普及进一步放大了散热需求。IDC 预测，2025 年全球搭载生成式 AI 功能的智能手机出货量将达 3.7 亿部，占整体市场份额 30%；OCID 数据显示，2027 年中国人工智能手机销量预计突破 1.86 亿台。庞大的出货量背后，散热技术已成为厂商实现产品差异化的关键指标，同时需平衡消费者对设备轻薄化的需求。

01 传统手机散热

早期手机散热以固体导热为主，核心部件为铜制散热板（铜的导热系数约401W/(m・K)），通过直接贴合芯片热源，将热量传导至机身壳体或散热片（多为铝制，导热系数 237W/(m・K)）进行扩散。该方案的优势在于结构简单、成本可控，但存在明显技术瓶颈： 无法完全满足高功耗AI芯片的散热需求。 为提升散热效率，需增大散热板 / 片的表面积与厚度，而当前手机轻薄化设计要求散热模块厚度控制在 1.5mm 以下，传统方案的散热功率上无法适配新一代高功耗 AI 芯片。

（来源：传热学，电子设备热管）

02 VC 均热板的技术原理与应用

为解决“高散热需求” 与 “轻薄化” 的矛盾，VC 均热板（Vapor Chamber）成为高端 AI 手机的主流方案。VC均热板 作为一种高效相变传热装置，其工作原理基于封闭空间内工质的蒸发-冷凝循环。与热管类似，VC均热板利用工质在真空环境下的相变过程实现高效热量传递，但其平面结构设计使其具有更大的散热面积和更均匀的温度分布。

VC均热板的基本结构包括：

外壳： 通常采用紫铜(C1100/C1020)材质，具有良好的导热性能和可加工

毛细结构： 多层铜网+区域化孔洞设计，提供工质回流的毛细力

工质： 去离子水等低沸点液体，在真空环境下低温即可蒸发

支撑柱（铜柱）： 防止真空腔在大气压下变形，同时增强结构强度

工作过程中，VC均热板的热端吸收热量，使工质蒸发成蒸汽；蒸汽在压差作用下迅速扩散到冷端，释放热量并冷凝成液体；液体通过毛细结构的毛细力回流到热端，完成一个完整的热传递循环。这一过程的 导热系数可达10000-50000W/mK，是铜的25-125倍，是铝的50-250倍，展现出卓越的散热性能 。

（来源：iPhone 17 Pro“弃钛从铝”：散热革命背后的VC均热管崛起2025-09-18）

散热过程基于相变传热，具体流程如下：

**01 **蒸发阶段

芯片热源传导至腔体底部，毛细芯中的工作介质受热蒸发，吸收大量热量；

**02 **扩散阶段

水蒸气在腔体内部压力差作用下，快速扩散至低温区域（通常为腔体顶部，贴合机身散热区域）；

**03 **凝结阶段

水蒸气与低温壁面接触，释放热量并凝结为液态；

**04 **回流阶段

液态水通过毛细芯的毛细力作用，回流至热源区域，完成循环。

这一过程的导热系数可达10000-50000W/mK，是铜的25-125倍，是铝的50-250倍，展现出卓越的散热性能。

（来源：iPhone 17 Pro“弃钛从铝”：散热革命背后的VC均热管崛起2025-09-18）

03****VC 均热板轻薄化的技术挑战

当前手机厂商对机身厚度的追求（部分机型已低于7.5mm），要求 VC 均热板厚度进一步压缩至 0.3mm 以下，由此带来两大核心技术难题：

**01 **密封与流道设计矛盾

腔体厚度减小导致内部流道截面积不足（需≥0.1mm 才能保证水蒸气顺畅流动），同时密封工艺难度显著提升 —— 采用激光焊接时，焊缝宽度需控制在 0.2mm 以内，且需避免焊接应力导致腔体变形，否则会破坏真空环境，导致散热失效；

**02 **相变传热性能衰减

当腔体厚度低于0.4mm 时，毛细芯的有效厚度不足（需≥0.15mm 才能保证足够的毛细力），导致液态水回流速度下降，同时水蒸气扩散路径缩短，易出现 “汽液混合” 现象，使等效导热系数骤。

目前行业内正通过两种技术路径突破瓶颈：一是采用新型毛细芯材料（如纳米多孔铜，孔隙率提升至70%），增强毛细力以提升回流效率；二是优化腔体结构（如采用阶梯式流道，局部增厚至 0.5mm），在保证整体轻薄的同时预留足够流道空间。未来随着这些技术的成熟，VC 均热板将更好地适配AI手机的散热需求。

质量挑战：

作为VC均热板的核心内部结构，铜柱与毛细结构的尺寸设计是在多重矛盾中寻求平衡的艺术。铜柱首要保证结构强度，但其尺寸过大会严重阻碍蒸汽扩散与冷凝液回流，增加流阻，因此现代设计趋向于采用阵列式微铜柱，在确保抗塌陷能力的同时最小化对相变流传热的干扰。毛细结构是液体回流的驱动力，其尺寸直接影响性能极限：厚度与孔径过小虽能产生强毛细力，但会导致液体流动阻力激增且热阻变大；厚度与孔径过大则会使毛细力不足，极易引发蒸发端干涸。最优设计在于为毛细结构选择最佳厚度与孔径范围，以最大化其综合性能系数（即平衡毛细力与渗透率）。

在设计和生产制造过程中需要关注铜柱的直径与高度，毛细结构的厚度与孔径，凹陷/鼓包等缺陷检查以确保VC均热板的质量。

观察VC均热板样品：

1铜网缺陷

1.1边缘

8μm体素分辨率对ROI扫描成像，可观察到裙边、焊道、铜柱和铜网结构，注意到铜网有一处凹陷。

测量裙边和铜柱等各层结构的厚度

ZEISS的3D软件所示重构后的2D切片，XY方向

ZEISS的3D软件所示重构后的2D切片，YZ方向

体素：8μm

边缘：测量铜柱直径

并对凹陷处铜网进一步放大扫描

ZEISS的3D软件所示重构后的2D切片，XZ方向

ZEISS的3D软件所示重构后的3D结构

体素：8μm

1.2铜网缺陷

1.5μm体素分辨率对凹陷处铜网扫描成像，可观察到铜柱和铜网变形、粘连。

ZEISS的3D软件所示重构后的2D切片。

每个象限代表一个不同的 正交虚拟切片 ，彩色线对应相同的边框颜色切片。比如，上排象限内的绿色线位置对应左下象限的绿色边框内的2D切片。

通过移动彩色线可以观察对应颜色线框内的虚拟切片变化。

ZEISS的3D软件所示重构后的2D切片，XY方向

测量变形铜柱和未变形铜柱的厚度；测量铜柱内孔隙大小和铜网编织结构的宽度

ZEISS的3D软件所示重构后的2D切片，YZ方向

体素：1.5μm

蔡司解决方案：

ZEISS Xradia Versa X射线显微镜采用无损三维成像技术，为VC均热板的内部结构表征与缺陷分析提供了完整解决方案。该系统凭借其卓越的多尺度成像能力，可在低倍模式下快速定位内部整体结构，并无缝切换至高倍模式，对毛细结构、铜柱及凹陷等微观特征进行高分辨率三维解析。结合专用的三维可视化与分析软件，用户可对样品进行任意角度的虚拟剖切与立体渲染，生成高质量的三维彩色模型，从而精确揭示内部结构的空间关系与缺陷分布，为产品工艺优化与可靠性评估提供关键的洞见和数据支撑。

▲ 蔡司Versa系列高分辨X射线显微镜

蔡司拥有丰富的产品线包含显微镜，蓝光扫描仪，三坐标，工业CT，助力全面解决电子客户面临质量挑战与痛点。