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Studien der Yole Group

Smartphones – eine Herausforderung fürs Wärmemanagement

14. Dezember 2017, 10:31 Uhr | Ralf Higgelke

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Wie sehen mögliche Lösungen aus?

Aufgrund der Beschränkungen durch den Formfaktor sowie der spezifischen Art und Weise, in der der Kunde das Gerät verwendet, lassen sich herkömmliche Kühlsysteme wie Kühlkörper und Lüfter nicht so ohne weiteres implementieren. Die Analysten haben verschiedene Ansätze für das Wärmemanagement identifiziert, die sowohl auf Hard- als auch auf Softwarelösungen basieren. Softwarebasiertes Wärmemanagement hat mehrere Vorteile. Es ist im Design flexibler, kann auf ein gegebenes thermisches Ereignis optimal reagieren und lässt sich in bestehenden Produkten per Software-Update nachrüsten. Und im Gegensatz zu Hardwarelösungen, wie Heatpipes, nimmt softwarebasiertes Wärmemanagement im Smartphone keinen zusätzlichen Platz ein.

Doch der beste Weg, mit Wärme in Smartphones umzugehen, lautet: weniger Wärme erzeugen – beispielsweise durch die Verwendung leistungsfähigerer Chips. Viel erreicht wurde durch die Einführung von 10-nm-Strukturen im Jahr 2016 und neue Chiparchitekturen, wie Multi-Cores mit »High Power«- und »Low Power«-Kernen. In der Zukunft werden Verbesserungen beim Prozessor jedoch möglicherweise nicht schnell genug marktreif sein, um die Anforderungen der Kunden an Funktionsumfang und Performance schnell genug zu erfüllen.

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Daher sind zunehmend andere Lösungen für das Wärmemanagement nötig. Ähnliche Trends waren schon in der Vergangenheit zu beobachten, als die Leistung von Thermotransferfolien nicht ausreichte, um die Wärme von thermisch schlecht entwickelten Prozessoren abzuleiten. Dies führte dazu, dass die ersten Smartphones von NEC und Sony auf Heatpipes setzten. Heute sind das Samsung Galaxy S8, das LG G5, das Google Pixel 2 XL nur einige Beispiele für Smartphones mit Heatpipes, um ihr Wärmemanagement zu verbessern.

Alternativ könnten in naher Zukunft »Vapor Chambers« besser funktionieren als Heatpipes (Bild 3). Ultradünne Verdunstungskammern werden bereits von mehreren Herstellern wie Furukawa Electric, TaiSol, AVC und Delta Electronics entwickelt, stehen jedoch immer noch vor schwierigen technologischen Herausforderungen.

Kampf um jeden Kubikmillimeter

Bis vor kurzem war das thermische Management in Smartphones für Komponenten- und Geräteentwickler nur von geringem Interesse. Neben einigen dedizierten Komponenten, wie Heatpipes und Thermotransferfolien, wurden die meisten Smartphone-Komponenten ohne Rücksicht auf die thermische Performance entwickelt und gefertigt.

Laut Yole Développement wird sich dies in Zukunft stark ändern. Ein heftiger Kampf um jeden Kubikmillimeter im Smartphones ist ausgebrochen, um Komponenten für neue Funktionen und/oder größere Akkus zu implementieren. Demzufolge müssen die thermischen Eigenschaften bestehender Komponenten verbessert werden, anstatt dedizierte sperrige thermische Komponenten hinzuzufügen.

Zukünftige Bemühungen dürften sich hauptsächlich auf die Packaging-Ebene konzentrieren, also auf die Chipgehäuse und die Leiterplatte (Bild 4). Diese beiden Bereiche werden laut Yole bis 2022 mehr als drei Viertel des 3,6 Mrd. US-Dollar umfassenden Marktes für Wärmemanagement-Lösungen ausmachen. Fan-out-Chipgehäuse und thermisch verstärkte Leiterplatten mit hoher Packungsdichte werden besonders auf Interesse stoßen. Unter anderem könnten führende Leiterplattenzulieferer wie Mektec, Samsung Electro-Mechanics, AT&S und Unimicron sowie führende Chipgehäuselieferanten wie Amkor Technology, ASE, TSMC und STATS ChipPAC an diesem Wandel beim Wärmemanagement in Smartphones teilhaben. Auch die Integration mehrerer Funktionen in eine Komponente ist ein weiterer vielversprechender Ansatz für zukünftige Smartphones.

Trotz der Kostenhürden im kostensensiblen Smartphone-Markt machen die riesigen Mengen an benötigten Wärmemanagement-Komponenten daraus einen attraktiven Markt. Darüber hinaus bieten neue Technologien die Möglichkeit, sich von Mitbewerbern stärker zu differenzieren, sowie Marktchancen in anderen Anwendungsbereichen, wie Medizin, Gaming, Pico-Projektoren, Virtual Reality und Drohnen.