手機傳熱特性分析與研究

鄧志勇 ，晉芳偉 ，熊昌炯 ，吳 龍 ，3

（1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建三明高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)博士后工作站，福建 三明 365500）

熱失效是電子產(chǎn)品的一個重要失效形式，相關(guān)數(shù)據(jù)表明電子設(shè)備失效55%是由其工作熱負荷過高引起的[1]。電子產(chǎn)品的熱失效率隨自身工作溫度升高呈現(xiàn)出指數(shù)增長的趨勢，電子元件工作溫度每升高10℃，其使用壽命約減少一半，且故障發(fā)生率相應(yīng)提高約一倍，這就是電子元件的10℃法則[2-4]。

伴隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，手機呈現(xiàn)出超薄和高性能的發(fā)展趨勢，而手機電池容量大幅提高的同時也帶來了不容忽視的安全隱患。自2007年6月甘肅省金塔縣礦石場發(fā)生首例因手機電池突然發(fā)生爆炸致人死亡案例以來，手機充電時發(fā)生爆炸造成人員燒傷的事故在現(xiàn)實生活中時有發(fā)生，手機的熱可靠性和安全性面臨更加嚴峻的考驗。

為了規(guī)劃手機和電池性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，由中國質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的GB/T 18287－2000《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》中的4.3條規(guī)定了中國手機電池在55℃以內(nèi)的高溫性能要求，其在(55±2)℃下進行不少于 51 min時間放電，放電后觀測電池的外觀應(yīng)沒有發(fā)生變形和爆裂破損[5]。手機在正常使用過程中存在一定的熱功耗，由此產(chǎn)生的熱量不斷積累，電池、電路板和芯片的工作溫度因而相應(yīng)升高。通常手機電池的工作溫度范圍是－10～50℃，若連續(xù)使用手機，手機局部溫度可能會超過50℃，這將加速手機元件老化，縮短其使用壽命。由10℃法則可知，即使降低手機元件溫度1℃，其熱失效率將大幅降低，熱可靠性和安全性也能得到相應(yīng)提高。因此，研究手機的傳熱特性，降低手機元件的溫度，是提高手機熱可靠性和安全性的一個重要方法。

1 手機模型的建立

1.1 有限元模型的建立

手機模型外形尺寸為長91mm，寬43 mm，厚12 mm，配備3.8 V鋰離子電池，電池容量為6.84 Wh，標稱輸出電流1800 mAh，充電限制電壓4.35 V。在傳熱分析之前，需適當簡化手機模型，忽略了手機上的按鍵，以模塊化形式簡化電池和芯片結(jié)構(gòu)，簡化和清理后的手機三維模型如圖1所示，由于手機外殼、電池、電路板和芯片壁厚較小，采用抽中面的方法，用殼單元對它們進行仿真分析，厚度分別設(shè)置為2，5，2和1 mm。模型中，手機外殼材料為尼龍，電池內(nèi)部包括鋁殼、保護線路板(環(huán)氧樹脂)和鋰電芯，電路板由環(huán)氧樹脂基板和連接各元器件的導電線路銅箔組成，芯片的主要材料是硅，手機主要零件的基本物理參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖1 手機有限元模型

表1 手機零件的基本物理參數(shù)

1.2 手機傳熱模型的建立

在使用手機過程中，電池、芯片和電路板產(chǎn)生熱功耗，可將它們視為熱源，建立由電池、芯片、電路板、外殼和外界環(huán)境組成的熱交換系統(tǒng)，熱交換發(fā)生于存在溫差的部位。電池、芯片、電路板和外殼等各零配件溫度大小不同，且即使同一個零件，在不同位置也存在溫差，這樣，熱量就從手機高溫處向低溫處傳遞。熱傳導、熱輻射和熱對流是自然界中物體的3種基本傳熱方式。

（1）熱傳導

由傅立葉定律可知，單位時間內(nèi)沿著x軸方向通過手機任意一個微厚度層的導熱熱量Q與該微厚度層的溫度變化率和面積A成正比：

式(1)中，Q為導熱的熱流量，W；負號表示手機任意位置上熱量傳導的方向與對應(yīng)的溫度升高方向是相反的；λ為導熱系數(shù)，W/(m·K)；T表示熱力學溫度，K；x表示微導熱層的厚度，m。手機各零件的導熱系數(shù)見表1。

（2）熱輻射

手機的輻射換熱量Q可由右斯忒藩-波耳茲曼求解[6]：

式(2)中，ε為手機零件的黑度，絕對黑體的黑度大小為1，手機各零件的黑度值取決于其材料和表面狀態(tài)；A 為手機輻射面積，m2；σ 為黑體輻射常數(shù)，大小為 5.76×10-8W/(m2·K4)。

（3）熱對流

根據(jù)牛頓冷卻公式可描述物體與外界空氣環(huán)境的自然對流換熱規(guī)律，手機與空氣的熱流交換密度與手機零件的對流換熱系數(shù)以及手機壁面和空氣之間的溫差成正比[7]：

式 （3） 中，q為熱流密度，W/m2；h為手機零件的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tw為手機零件壁面溫度；tf空氣環(huán)境溫度。

對流換熱系數(shù)主要取決于手機的形狀和空氣的流速。通常，物體的自然對流系數(shù)h大小取值范圍是1～10 W/(m2·K)，手機外殼直接與空氣對流換熱，其對流系數(shù)大小可設(shè)置為 10 W/(m2·K)，電池、電路板和芯片封閉在緊湊的空間，且它們與外界對流的面積很小，故可設(shè)定它們的對流系數(shù)大小為1W/(m2·K)[8]。

通過分析以上3種基本傳熱方式可知，熱傳導是手機內(nèi)部傳熱的主要方式，熱傳導主要發(fā)生在手機內(nèi)直接接觸的零件之間以及同一個零件存在溫差的部位。手機由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間有限，僅在外殼上存在自然對流，內(nèi)部熱對流熱量很少，其熱輻射作用也相對微弱。因此，手機熱量的傳遞過程就是首先通過熱傳導由內(nèi)部零件傳到外殼，外殼再通過自然對流和熱輻射的形式將熱量傳到外界環(huán)境。

1.3 邊界條件

手機的溫度場的形成和變化與其工況下的熱功耗以及內(nèi)外界環(huán)境密切相關(guān)。手機功耗的檢測方法如下：將手機充滿電，分別在待機、亮屏、通話和開啟Wifi 4種工況下運行一定時間，而后記錄手機屏幕上顯示的剩余電量百分比，可得耗電百分比，乘以電池容量為6.84 Wh即可得到此間手機耗能（Wh），手機耗能再除以測試所用時間即為平均功耗。此外，借助第三方軟件也可以檢測手機的基本峰值功耗，可以大致測試LCD、芯片、Wifi以及整個手機的功耗情況。在待機、亮屏、通話和開啟Wifi 4種工況下，手機的平均功耗約分別為0.05、0.25、0.55和0.95 W，電池相應(yīng)可使用時間分別為136.8、27.4、12.4和7.2h，若以熱功耗占功耗70%計算，亮屏、通話和開啟Wifi工況下的熱功耗分別為0.175、0.385和0.665 W。此外，在充電時使用手機通話下，若使用原裝電池且沒有短路，則手機熱功耗約為0.8 W。

為了精確反映手機與外界環(huán)境的對流換熱和輻射熱，設(shè)置手機外殼與外部空氣自然對流換熱，換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)，輻射率為0.9，并構(gòu)建手機周圍空氣流場，空氣溫度設(shè)定為常溫20℃。

2 傳熱特性的瞬態(tài)分析

2.14 種常見工況下手機的瞬態(tài)分析

手機傳熱特性仿真分析分別在待機、亮屏、通話和Wifi 4種常見工況下進行，每種工況下，仿真時間持續(xù)300 min，設(shè)置時間步長為1 min，為了提高仿真精度，每個時間步最大迭代次數(shù)設(shè)置為500次。

如圖2所示，在待機模式下，手機最高平均溫度僅21.8℃。仿真中，手機芯片和電路板平均溫度曲線開始上升，在分別上升了1.8和1.5℃之后，進入穩(wěn)態(tài)，溫度曲線基本上與時間軸平行；電池在15 min內(nèi)平均溫度僅上升1℃，而后溫度曲線上升更加緩慢，在285 min內(nèi)，平均溫度僅上升0.8℃；手機外殼一方面接收了芯片、電路板和電池傳導的熱量，另一方面與外部空氣自然對流和輻射帶走了部分熱量，因而仿真平均溫度低于其它零件，約為20.1℃。

屏亮工況為手機僅亮屏，沒有任何操作和使用。如圖3所示，在屏亮工況下，手機在熱功耗影響下，熱量開始積累，芯片和和電路板平均溫度在前30 min內(nèi)分別上升到26.7和25.4℃，而后分別緩慢升至26.9和25.7℃，并進入穩(wěn)態(tài)；電池平均溫度在前30 min內(nèi)升高到26.9℃，并超過芯片平均溫度，而后在270 min內(nèi)緩緩上升至28.3℃；手機外殼穩(wěn)定后為20.5℃。

如圖4所示，在通話工況下，手機外殼、電池、電路板和芯片的最高平均溫度分別為21.1、38.4、32.4和34.9℃。其中，手機電池在前30min內(nèi)平均溫度迅速上升至36.0℃，而后，電池平均溫度上升變緩，開始進入穩(wěn)態(tài)，300min時達到38.4℃，遠高于手機外圍空氣溫度。由于熱功耗增加，電路板和芯片溫度也均超過30℃，受此影響，手機外殼內(nèi)部傳導熱大于外部空氣自然對流作用，平均最高溫度比亮屏模式下提高0.6℃。

圖5中Wifi模式為手機開啟Wifi瀏覽網(wǎng)頁，該工況下，手機熱功耗比前三種工況明顯增大，前30 min，由于內(nèi)部零件產(chǎn)生的熱量遠高于向外界空氣對流和輻射熱量，溫度開始迅速上升，手機外殼、電池、電路板和芯片的平均溫度分別可達22.0、52.7、42.3和46.9℃。手機電池平均溫度在前45 min迅速上升，達到51.7℃，此時電池明顯發(fā)熱發(fā)燙，并傳熱給與其相鄰的電路板和手機外殼后蓋，而且溫度繼續(xù)緩慢上升，電池大部分功耗消耗于發(fā)熱；手機電路板和芯片在前30 min平均溫度迅速上升至41.5和46.5℃，明顯發(fā)熱，而后緩慢上升至穩(wěn)態(tài)。在Wifi模式下瀏覽網(wǎng)頁，手機內(nèi)部的電池、電路板和芯片在30min內(nèi)均超過40℃的高溫，明顯高于20℃常溫外界環(huán)境，若手機長期持續(xù)在此高溫下工作，將加速手機電池、PCB板和芯片材料的老化速度，縮短手機的使用壽命，因此，為了維護和保養(yǎng)手機，在該工況下持續(xù)操作時間宜少于30 min，待溫度適當降低后才可繼續(xù)操作使用。

圖2 待機下的平均溫度曲線圖

圖3 屏亮下的平均溫度曲線

圖4 通話工況下的平均溫度曲線

圖5 Wifi模式下平均溫度曲線

以上4種工況，均為在外界環(huán)境溫度20℃時進行，手機在4種工況下的溫度分布如圖6～圖9所示，為了對比各工況下溫度分布情況，將各云圖下方彩條溫度范圍統(tǒng)一設(shè)置為20～70℃。由溫度分布云圖可知，手機外殼、電池、電路板和芯片的溫度隨著熱功耗的增加而增大，且各零件之間存在較大溫差、溫度分布不均勻。對比各工況溫度云圖分布可知，電池溫度最高，芯片、電路板其次，外殼溫度最低。雖然電池最高平均溫度均低于GB/T 18287－2000規(guī)定的許可溫度55℃，但該標準是按照放電時間小于51min進行質(zhì)量檢測，且僅只要求外形無變形、電池無爆裂，若手機常時間在50℃以上工作，其電池、PCB板和芯片材料將加速老化，致使其使用壽命大幅降低，故障率大幅提升。

圖6 待機下的手機溫度分布云圖

圖7 屏亮下的手機溫度分布云圖

圖8 通話工況下的手機溫度分布云圖

圖9 Wifi模式下手機溫度分布云圖

2.2 充電時通話對手機傳熱特性的影響

充電時通話是在手機充電的過程中使用手機通話，環(huán)境溫度、空氣自然對流和輻射等邊界條件設(shè)置不變，而手機的熱功耗升高至0.8 W。該工況下，手機溫度分布云圖如圖10所示，該圖與圖9相比，可以形象直觀看出手機各零件均有明顯溫升。手機瞬態(tài)溫度曲線如圖11所示，電池、電路板和芯片的最高平均溫度分別為61.2、43.6和47.2℃。電路板和芯片平均溫度在半小時內(nèi)均超過40℃的高溫，明顯發(fā)熱；電池在前30min內(nèi)迅速上升至57.5℃，明顯超出了手機說明書中規(guī)定的電池的正常工作溫度范圍－10～50℃，電池仿真最高平均溫度比其允許的極限溫度高出11.2℃。充電時通話的溫度比僅通話的溫度大幅升高，如表2所示，電路板和芯片升溫率分別為34.6%和35.2%，而電池溫升率達到了59.4%，若長時間持續(xù)高溫，手機電池將鼓起，老化，發(fā)生短路在短時間內(nèi)釋放大量熱量，甚至引起手機爆炸和人員傷亡。

圖10 充電且通話時手機溫度分布云圖

圖11 充電且通話時手機平均溫度曲線

2.3 外界溫度環(huán)境對手機傳熱特性的影響

手機與環(huán)境構(gòu)成一個不可分割的傳熱系統(tǒng)，為了獲得手機處于高溫外界環(huán)境下的傳熱特性，模擬手機處于Wifi模式工況下運行，將手機周邊外界環(huán)境溫度由20℃分別升高至30和38℃。如圖12所示，在30℃的環(huán)境溫度下，手機外殼、電池、電路板和芯片的最高平均溫度分別為31.9、60.7、49.6和52.5℃，電池平均溫度比生廠商指定的最高溫度50℃高出10.7℃；如圖13所示，在38℃的高溫環(huán)境下，手機外殼、電池、電路板和芯片的最高平均溫度分別為39.9、67.2、56.5和59.4℃，電池、電路板和芯片平均溫度快速上升，30 min時分別達到64.8、56.0和59.2℃。在30和38℃外界環(huán)境下，手機溫度分布云圖如圖14和圖15所示，將它們與圖9對比可知，手機溫度受到外界環(huán)境溫度的影響，各零件的溫度均隨環(huán)境溫度升高而明顯升高。

20、30和38℃ 3種環(huán)境溫度對手機最高平均溫度的影響如表3所示，在相同Wifi模式下，若外界環(huán)境溫度由20℃上升至30℃時，電池、電路板和芯片的最高平均溫度分別提高15.2%、17.3%和11.9%；若外界環(huán)境溫度由20℃上升至38℃時，電池、電路板和芯片的最高平均溫度分別提高27.5%、33.6%和26.7%。由此可見，手機零件，平均最高溫度隨著外界環(huán)境溫度升高而增大，特別是電池，在外界環(huán)境溫度為38℃時，最高平均溫度高達67.2℃。電池平均溫度比生廠商指定的最高溫度50℃高出17.2℃，比GB/T 18287-2000規(guī)定的許可溫度55℃高出12.2℃，在如此高熱負荷下長時間運行，電池容易發(fā)生外形變形，甚至爆裂，帶來了極大的安全隱患。

表2 充電時通話對手機溫度的影響

圖12 30℃Wifi模式下平均溫度曲線

圖13 38℃Wifi模式下平均溫度曲線

圖14 30℃Wifi模式下手機溫度分布云圖

圖15 38℃Wifi模式下手機溫度分布云圖

3 手機傳熱特性的改進

現(xiàn)在手機外形尺寸朝著超薄方向發(fā)展，難以像電腦那樣有足夠空間安裝冷卻風扇強迫冷卻，因此，熱傳導是其主要傳熱方式，提高手機內(nèi)部熱傳導效果是降低電池溫度比較可行的方法。采用導熱效果良好的材料能加速手機內(nèi)部熱量向外傳導的速度，并使元件整體溫差降低，溫度分布更加均勻。

鋁是良好的熱導體，其導熱系數(shù)為201 W/(m·K)，機械和汽車結(jié)構(gòu)的空間較大，通常采用鋁制的散熱片散熱，銅的導熱系數(shù)約為392W/m.K，石墨片在其水平面內(nèi)的導熱系數(shù)可達1700W/m.K，縱向?qū)嵯禂?shù)約為15 W/m.K[9]。因此，對于結(jié)構(gòu)緊湊內(nèi)部空間狹小手機而已，石墨片和銅是比較理想的導熱材料，改進手機導熱特性的方法如圖16所示，在手機芯片和電路板之間、電池和電路板之間增加厚度為0.15 mm的石墨片。

設(shè)置手機周邊外界環(huán)境溫度為20℃，空氣自然對流換熱。如圖17所示，改進后的手機在20℃Wifi模式仿真的前30 min，其外殼、電池、電路板和芯片平均溫度分別上升到21.9、46.3、44.7和45.1℃，手機改進前后的溫度變化曲線對比如圖18所示，手機零件最高平均溫度變化率如表4所示，仿真中電池、電路板和芯片的最高平均溫度分別為47.3、45.5和45.8℃，其中，電池和芯片平均溫度比改進前分別降低10.2%和2.3%，而電路板平均溫度提高了7.6%，分析原因是石墨片縱向?qū)嵊邢?，使電路板接收的導熱大于其傳導出去的熱量。石墨片在水平面導熱性能?yōu)良，使芯片和電池導向電路板的熱量增加，電池更是由52.7℃降低至47.3℃，溫降達5.4℃，從而使手機同時滿足了GB/T 18287-2000和手機生產(chǎn)商對電池使用溫度的要求。改進后手機溫度分布如圖19所示，雖然電路板溫度上升了3.2℃，但與圖9相比，電池、電路板和芯片整體溫度分布更趨于均勻，避免了零件整體上溫差大、局部溫度過高的現(xiàn)象。

表3 環(huán)境溫度對手機溫度的影響 （℃）

圖16 采用石墨片的手機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表4 手機改進前后的最高平均溫度變化率

圖17 采用石墨片導熱的手機平均溫度曲線

圖18 改進前后溫度對比

4 結(jié)語

手機外殼、電池、電路板、芯片和環(huán)境組成了一個分析手機傳熱特性的整體，手機元器件最高平均溫度和溫度分布狀況對其熱可靠性和安全性產(chǎn)生很大的影響，對比多工況、多環(huán)境下的手機瞬態(tài)溫度，分析結(jié)果表明：

（1）手機最高平均溫度值隨其熱功耗的升高而升高；

（2）常溫20℃下，充電時通話，不正確地使用手機，手機電池最高平均溫度大幅上升達61.2℃，高于GB/T 18287-2000的55℃和手機廠商要求的50℃，長期使用電池容易老化失效，甚至爆裂帶來人員安全隱患。

（3）手機溫度與外界環(huán)境密切相關(guān)，其隨環(huán)境溫度的升高而升高，在38℃的高溫環(huán)境下電池溫度高達67.2℃，而20℃下，其最高溫度僅52.7℃，降低環(huán)境溫度、避免陽光照射、使用合適的手機套可以在一定程度上降低手機溫度。

（4）石墨片在水平面上能促進電池、電路板和芯片溫度分布均勻，可有效降低電池和芯片的平均溫度，并減小零件整體上的溫差，是比較理想的導熱元件。

圖19 采用石墨片導熱的手機溫度分布云圖

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