手机传热特性分析与研究

2015-04-25 08:13:00邓志勇晋芳伟熊昌炯

三明学院学报 2015年4期

邓志勇，晋芳伟，熊昌炯，吴龙，3

（1.三明学院机电工程学院，福建三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建三明 365004；3.福建三明高新技术产业开发区博士后工作站，福建三明 365500）

热失效是电子产品的一个重要失效形式，相关数据表明电子设备失效55%是由其工作热负荷过高引起的[1]。电子产品的热失效率随自身工作温度升高呈现出指数增长的趋势，电子元件工作温度每升高10℃，其使用寿命约减少一半，且故障发生率相应提高约一倍，这就是电子元件的10℃法则[2-4]。

伴随着现代通信技术的快速发展，手机呈现出超薄和高性能的发展趋势，而手机电池容量大幅提高的同时也带来了不容忽视的安全隐患。自2007年6月甘肃省金塔县矿石场发生首例因手机电池突然发生爆炸致人死亡案例以来，手机充电时发生爆炸造成人员烧伤的事故在现实生活中时有发生，手机的热可靠性和安全性面临更加严峻的考验。

为了规划手机和电池性能，提高产品的质量，由中国质量技术监督局发布的GB/T 18287－2000《蜂窝电话用锂离子电池总规范》中的4.3条规定了中国手机电池在55℃以内的高温性能要求，其在(55±2)℃下进行不少于 51 min时间放电，放电后观测电池的外观应没有发生变形和爆裂破损[5]。手机在正常使用过程中存在一定的热功耗，由此产生的热量不断积累，电池、电路板和芯片的工作温度因而相应升高。通常手机电池的工作温度范围是－10～50℃，若连续使用手机，手机局部温度可能会超过50℃，这将加速手机元件老化，缩短其使用寿命。由10℃法则可知，即使降低手机元件温度1℃，其热失效率将大幅降低，热可靠性和安全性也能得到相应提高。因此，研究手机的传热特性，降低手机元件的温度，是提高手机热可靠性和安全性的一个重要方法。

1 手机模型的建立

1.1 有限元模型的建立

手机模型外形尺寸为长91mm，宽43 mm，厚12 mm，配备3.8 V锂离子电池，电池容量为6.84 Wh，标称输出电流1800 mAh，充电限制电压4.35 V。在传热分析之前，需适当简化手机模型，忽略了手机上的按键，以模块化形式简化电池和芯片结构，简化和清理后的手机三维模型如图1所示，由于手机外壳、电池、电路板和芯片壁厚较小，采用抽中面的方法，用壳单元对它们进行仿真分析，厚度分别设置为2，5，2和1 mm。模型中，手机外壳材料为尼龙，电池内部包括铝壳、保护线路板(环氧树脂)和锂电芯，电路板由环氧树脂基板和连接各元器件的导电线路铜箔组成，芯片的主要材料是硅，手机主要零件的基本物理参数设置如表1所示。

图1 手机有限元模型

表1 手机零件的基本物理参数

1.2 手机传热模型的建立

在使用手机过程中，电池、芯片和电路板产生热功耗，可将它们视为热源，建立由电池、芯片、电路板、外壳和外界环境组成的热交换系统，热交换发生于存在温差的部位。电池、芯片、电路板和外壳等各零配件温度大小不同，且即使同一个零件，在不同位置也存在温差，这样，热量就从手机高温处向低温处传递。热传导、热辐射和热对流是自然界中物体的3种基本传热方式。

（1）热传导

由傅立叶定律可知，单位时间内沿着x轴方向通过手机任意一个微厚度层的导热热量Q与该微厚度层的温度变化率和面积A成正比：

式(1)中，Q为导热的热流量，W；负号表示手机任意位置上热量传导的方向与对应的温度升高方向是相反的；λ为导热系数，W/(m·K)；T表示热力学温度，K；x表示微导热层的厚度，m。手机各零件的导热系数见表1。

（2）热辐射

手机的辐射换热量Q可由右斯忒藩-波耳兹曼求解[6]：

式(2)中，ε为手机零件的黑度，绝对黑体的黑度大小为1，手机各零件的黑度值取决于其材料和表面状态；A 为手机辐射面积，m2；σ 为黑体辐射常数，大小为 5.76×10-8W/(m2·K4)。

（3）热对流

根据牛顿冷却公式可描述物体与外界空气环境的自然对流换热规律，手机与空气的热流交换密度与手机零件的对流换热系数以及手机壁面和空气之间的温差成正比[7]：

式（3）中，q为热流密度，W/m2；h为手机零件的对流换热系数，W/(m2·K)；tw为手机零件壁面温度；tf空气环境温度。

对流换热系数主要取决于手机的形状和空气的流速。通常，物体的自然对流系数h大小取值范围是1～10 W/(m2·K)，手机外壳直接与空气对流换热，其对流系数大小可设置为 10 W/(m2·K)，电池、电路板和芯片封闭在紧凑的空间，且它们与外界对流的面积很小，故可设定它们的对流系数大小为1W/(m2·K)[8]。

通过分析以上3种基本传热方式可知，热传导是手机内部传热的主要方式，热传导主要发生在手机内直接接触的零件之间以及同一个零件存在温差的部位。手机由于内部结构空间有限，仅在外壳上存在自然对流，内部热对流热量很少，其热辐射作用也相对微弱。因此，手机热量的传递过程就是首先通过热传导由内部零件传到外壳，外壳再通过自然对流和热辐射的形式将热量传到外界环境。

1.3 边界条件

手机的温度场的形成和变化与其工况下的热功耗以及内外界环境密切相关。手机功耗的检测方法如下：将手机充满电，分别在待机、亮屏、通话和开启Wifi 4种工况下运行一定时间，而后记录手机屏幕上显示的剩余电量百分比，可得耗电百分比，乘以电池容量为6.84 Wh即可得到此间手机耗能（Wh），手机耗能再除以测试所用时间即为平均功耗。此外，借助第三方软件也可以检测手机的基本峰值功耗，可以大致测试LCD、芯片、Wifi以及整个手机的功耗情况。在待机、亮屏、通话和开启Wifi 4种工况下，手机的平均功耗约分别为0.05、0.25、0.55和0.95 W，电池相应可使用时间分别为136.8、27.4、12.4和7.2h，若以热功耗占功耗70%计算，亮屏、通话和开启Wifi工况下的热功耗分别为0.175、0.385和0.665 W。此外，在充电时使用手机通话下，若使用原装电池且没有短路，则手机热功耗约为0.8 W。

为了精确反映手机与外界环境的对流换热和辐射热，设置手机外壳与外部空气自然对流换热，换热系数为10 W/(m2·K)，辐射率为0.9，并构建手机周围空气流场，空气温度设定为常温20℃。

2 传热特性的瞬态分析

2.14 种常见工况下手机的瞬态分析

手机传热特性仿真分析分别在待机、亮屏、通话和Wifi 4种常见工况下进行，每种工况下，仿真时间持续300 min，设置时间步长为1 min，为了提高仿真精度，每个时间步最大迭代次数设置为500次。

如图2所示，在待机模式下，手机最高平均温度仅21.8℃。仿真中，手机芯片和电路板平均温度曲线开始上升，在分别上升了1.8和1.5℃之后，进入稳态，温度曲线基本上与时间轴平行；电池在15 min内平均温度仅上升1℃，而后温度曲线上升更加缓慢，在285 min内，平均温度仅上升0.8℃；手机外壳一方面接收了芯片、电路板和电池传导的热量，另一方面与外部空气自然对流和辐射带走了部分热量，因而仿真平均温度低于其它零件，约为20.1℃。

屏亮工况为手机仅亮屏，没有任何操作和使用。如图3所示，在屏亮工况下，手机在热功耗影响下，热量开始积累，芯片和和电路板平均温度在前30 min内分别上升到26.7和25.4℃，而后分别缓慢升至26.9和25.7℃，并进入稳态；电池平均温度在前30 min内升高到26.9℃，并超过芯片平均温度，而后在270 min内缓缓上升至28.3℃；手机外壳稳定后为20.5℃。

如图4所示，在通话工况下，手机外壳、电池、电路板和芯片的最高平均温度分别为21.1、38.4、32.4和34.9℃。其中，手机电池在前30min内平均温度迅速上升至36.0℃，而后，电池平均温度上升变缓，开始进入稳态，300min时达到38.4℃，远高于手机外围空气温度。由于热功耗增加，电路板和芯片温度也均超过30℃，受此影响，手机外壳内部传导热大于外部空气自然对流作用，平均最高温度比亮屏模式下提高0.6℃。

图5中Wifi模式为手机开启Wifi浏览网页，该工况下，手机热功耗比前三种工况明显增大，前30 min，由于内部零件产生的热量远高于向外界空气对流和辐射热量，温度开始迅速上升，手机外壳、电池、电路板和芯片的平均温度分别可达22.0、52.7、42.3和46.9℃。手机电池平均温度在前45 min迅速上升，达到51.7℃，此时电池明显发热发烫，并传热给与其相邻的电路板和手机外壳后盖，而且温度继续缓慢上升，电池大部分功耗消耗于发热；手机电路板和芯片在前30 min平均温度迅速上升至41.5和46.5℃，明显发热，而后缓慢上升至稳态。在Wifi模式下浏览网页，手机内部的电池、电路板和芯片在30min内均超过40℃的高温，明显高于20℃常温外界环境，若手机长期持续在此高温下工作，将加速手机电池、PCB板和芯片材料的老化速度，缩短手机的使用寿命，因此，为了维护和保养手机，在该工况下持续操作时间宜少于30 min，待温度适当降低后才可继续操作使用。

图2 待机下的平均温度曲线图

图3 屏亮下的平均温度曲线

图4 通话工况下的平均温度曲线

图5 Wifi模式下平均温度曲线

以上4种工况，均为在外界环境温度20℃时进行，手机在4种工况下的温度分布如图6～图9所示，为了对比各工况下温度分布情况，将各云图下方彩条温度范围统一设置为20～70℃。由温度分布云图可知，手机外壳、电池、电路板和芯片的温度随着热功耗的增加而增大，且各零件之间存在较大温差、温度分布不均匀。对比各工况温度云图分布可知，电池温度最高，芯片、电路板其次，外壳温度最低。虽然电池最高平均温度均低于GB/T 18287－2000规定的许可温度55℃，但该标准是按照放电时间小于51min进行质量检测，且仅只要求外形无变形、电池无爆裂，若手机常时间在50℃以上工作，其电池、PCB板和芯片材料将加速老化，致使其使用寿命大幅降低，故障率大幅提升。

图6 待机下的手机温度分布云图

图7 屏亮下的手机温度分布云图

图8 通话工况下的手机温度分布云图

图9 Wifi模式下手机温度分布云图

2.2 充电时通话对手机传热特性的影响

充电时通话是在手机充电的过程中使用手机通话，环境温度、空气自然对流和辐射等边界条件设置不变，而手机的热功耗升高至0.8 W。该工况下，手机温度分布云图如图10所示，该图与图9相比，可以形象直观看出手机各零件均有明显温升。手机瞬态温度曲线如图11所示，电池、电路板和芯片的最高平均温度分别为61.2、43.6和47.2℃。电路板和芯片平均温度在半小时内均超过40℃的高温，明显发热；电池在前30min内迅速上升至57.5℃，明显超出了手机说明书中规定的电池的正常工作温度范围－10～50℃，电池仿真最高平均温度比其允许的极限温度高出11.2℃。充电时通话的温度比仅通话的温度大幅升高，如表2所示，电路板和芯片升温率分别为34.6%和35.2%，而电池温升率达到了59.4%，若长时间持续高温，手机电池将鼓起，老化，发生短路在短时间内释放大量热量，甚至引起手机爆炸和人员伤亡。

图10 充电且通话时手机温度分布云图

图11 充电且通话时手机平均温度曲线

2.3 外界温度环境对手机传热特性的影响

手机与环境构成一个不可分割的传热系统，为了获得手机处于高温外界环境下的传热特性，模拟手机处于Wifi模式工况下运行，将手机周边外界环境温度由20℃分别升高至30和38℃。如图12所示，在30℃的环境温度下，手机外壳、电池、电路板和芯片的最高平均温度分别为31.9、60.7、49.6和52.5℃，电池平均温度比生厂商指定的最高温度50℃高出10.7℃；如图13所示，在38℃的高温环境下，手机外壳、电池、电路板和芯片的最高平均温度分别为39.9、67.2、56.5和59.4℃，电池、电路板和芯片平均温度快速上升，30 min时分别达到64.8、56.0和59.2℃。在30和38℃外界环境下，手机温度分布云图如图14和图15所示，将它们与图9对比可知，手机温度受到外界环境温度的影响，各零件的温度均随环境温度升高而明显升高。

20、30和38℃ 3种环境温度对手机最高平均温度的影响如表3所示，在相同Wifi模式下，若外界环境温度由20℃上升至30℃时，电池、电路板和芯片的最高平均温度分别提高15.2%、17.3%和11.9%；若外界环境温度由20℃上升至38℃时，电池、电路板和芯片的最高平均温度分别提高27.5%、33.6%和26.7%。由此可见，手机零件，平均最高温度随着外界环境温度升高而增大，特别是电池，在外界环境温度为38℃时，最高平均温度高达67.2℃。电池平均温度比生厂商指定的最高温度50℃高出17.2℃，比GB/T 18287-2000规定的许可温度55℃高出12.2℃，在如此高热负荷下长时间运行，电池容易发生外形变形，甚至爆裂，带来了极大的安全隐患。

表2 充电时通话对手机温度的影响

图12 30℃Wifi模式下平均温度曲线

图13 38℃Wifi模式下平均温度曲线

图14 30℃Wifi模式下手机温度分布云图

图15 38℃Wifi模式下手机温度分布云图

3 手机传热特性的改进

现在手机外形尺寸朝着超薄方向发展，难以像电脑那样有足够空间安装冷却风扇强迫冷却，因此，热传导是其主要传热方式，提高手机内部热传导效果是降低电池温度比较可行的方法。采用导热效果良好的材料能加速手机内部热量向外传导的速度，并使元件整体温差降低，温度分布更加均匀。

铝是良好的热导体，其导热系数为201 W/(m·K)，机械和汽车结构的空间较大，通常采用铝制的散热片散热，铜的导热系数约为392W/m.K，石墨片在其水平面内的导热系数可达1700W/m.K，纵向导热系数约为15 W/m.K[9]。因此，对于结构紧凑内部空间狭小手机而已，石墨片和铜是比较理想的导热材料，改进手机导热特性的方法如图16所示，在手机芯片和电路板之间、电池和电路板之间增加厚度为0.15 mm的石墨片。

设置手机周边外界环境温度为20℃，空气自然对流换热。如图17所示，改进后的手机在20℃Wifi模式仿真的前30 min，其外壳、电池、电路板和芯片平均温度分别上升到21.9、46.3、44.7和45.1℃，手机改进前后的温度变化曲线对比如图18所示，手机零件最高平均温度变化率如表4所示，仿真中电池、电路板和芯片的最高平均温度分别为47.3、45.5和45.8℃，其中，电池和芯片平均温度比改进前分别降低10.2%和2.3%，而电路板平均温度提高了7.6%，分析原因是石墨片纵向导热有限，使电路板接收的导热大于其传导出去的热量。石墨片在水平面导热性能优良，使芯片和电池导向电路板的热量增加，电池更是由52.7℃降低至47.3℃，温降达5.4℃，从而使手机同时满足了GB/T 18287-2000和手机生产商对电池使用温度的要求。改进后手机温度分布如图19所示，虽然电路板温度上升了3.2℃，但与图9相比，电池、电路板和芯片整体温度分布更趋于均匀，避免了零件整体上温差大、局部温度过高的现象。