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.機械現代設計制造技術福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建三明高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)博士后工作站，福建 三明 365500）

熱失效是電子產品的一個重要失效形式，相關數據表明電子設備失效55%是由其工作熱負荷過高引起的[1]。電子產品的熱失效率隨自身工作溫度升高呈現出指數增長的趨勢，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)生率相應提高約一倍，這就是電子元件的10℃法則[2-4]。

伴隨著現代通信技術的快速發(fā)展，手機呈現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，提高產品的質量，由中國質量技術監(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構，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，厚度分別設置為2，5，2和1 mm。模型中，手機外殼材料為尼龍，電池內部包括鋁殼、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設置如表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

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的溫度升高方向是相反的；λ為導熱系數，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，大小為 5.76×10-8W/(m2·K4)。

（3）熱對流

根據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，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，其對流系數大小可設置為 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，故可設定它們的對流系數大小為1W/(m2·K)[8]。

通過分析以上3種基本傳熱方式可知，熱傳導是手機內部傳熱的主要方式，熱傳導主要發(fā)生在手機內直接接觸的零件之間以及同一個零件存在溫差的部位。手機由于內部結構空間有限，僅在外殼上存在自然對流，內部熱對流熱量很少，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外界環(huán)境密切相關。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，設置手機外殼與外部空氣自然對流換熱，換熱系數為10 W/(m2·K)，輻射率為0.9，并構建手機周圍空氣流場，空氣溫度設定為常溫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設置為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內平均溫度僅上升1℃，而后溫度曲線上升更加緩慢，在285 min內，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內升高到26.9℃，并超過芯片平均溫度，而后在270 min內緩緩上升至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，由于內部零件產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模式下瀏覽網頁，手機內部的電池、電路板和芯片在30min內均超過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均超過40℃的高溫，明顯發(fā)熱；電池在前30min內迅速上升至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，其導熱系數為201 W/(m·K)，機械和汽車結構的空間較大，通常采用鋁制的散熱片散熱，銅的導熱系數約為392W/m.K，石墨片在其水平面內的導熱系數可達1700W/m.K，縱向導熱系數約為15 W/m.K[9]。因此，對于結構緊湊內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導熱有限，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優(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部結構

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，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

［1］彭偉，張根烜，關宏山，等.多層印制電路板熱設計方法研究［J］.電子技術，2014（2）：60－63.

［2］張學新.某地面電子設備的熱設計［J］.電子機械工程，2014，30（4）：8－11.

［3］石秦，曹宗生，龍威，等.電子系統(tǒng)熱管理設計與驗證中的結溫估算與測量［J］.電子設計工程，2012，20（6）：162－165.

［4］電子工業(yè)部標準化研究所.可靠性工程師熱設計指南［S］，1985：30-37.

［5］GB／T 18287－2000 蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范［S］，2000：1－8.

［6］陳鑫，劉莉，李昱霖，等.高超聲速飛行器翼面氣動加熱、輻射換熱與瞬態(tài)熱傳導的耦合分析［J］.彈道學報，2014，26（2）：1－5.

［7］方強，祖炳鋒，徐玉梁，等.基于流固耦合的國－Ⅴ柴油機缸蓋穩(wěn)態(tài)傳熱研究［J］.內燃機工程，2014，35（6）：90－95.

［8］何文斌，曾攀，張磊，等.基于有限元的 400MN 大型模鍛壓力機溫度場分析 ［J］.機械工程學報，2015（2）：30－36.

［9］佟剛，何士偉.智能手機熱對策與熱設計［J］.移動通信，2012（S2）：113－116