机械工程学报，中国知网 | 来源
柔性热管的研究现状与发展趋势 | 题目
汤勇，孙亚隆，唐恒，万珍平，袁伟 | 作者
华南理工大学，深圳大学，广东省功能结构与器件智能制造工程实验室 | 单位
摘要：热管凭借高传热效率、高稳定性、长寿命和低成本等优势已经成为解决高性能微电子器件散热难题的主要方案。然而，日益兴起的柔性可穿戴式电子设备对高热流密度电子器件的散热系统提出了柔性化需求，传统铜、铝基热管已经难以满足轻薄型柔性电子设备的散热需求。可弯曲、高性能、轻薄化的柔性热管逐渐成为热管技术的研究热点和发展方向。详细介绍了柔性热管的结构类型、封装工艺和应用领域，重点综述了目前国内外关于柔性热管在吸液芯结构和封装工艺等方面的研究进展，分析讨论了其在柔性微电子器件散热领域应用中存在的不足，并对柔性热管的发展趋势进行了科学预测与展望。
关键词：柔性热管；吸液芯结构；微结构制造；封装工艺；散热
00 前言
第五代通信技术(5G)的快速发展及商业应用引发了微电子器件的新一轮革命化浪潮，电子器件高集成化、高性能化和小型化发展引起芯片发热量急剧增加、有效散热空间严重不足，急剧增加的系统发热量已经成为约束电子产业进一步发展的瓶颈。相变传热技术凭借其高传热效率、高稳定性、长寿命和低成本等优势已经成为解决电子器件高热流密度散热难题的首要选择。热管、均热板是目前电子器件散热领域常用的相变传热元件，具有成熟的制作工艺、丰富的结构形式和吸液芯结构，常见的吸液芯类型包括烧结型吸液芯、沟槽型吸液芯和复合型吸液芯。
柔性屏电子器件的发展对散热系统提出了全新的柔性化需求。虽然传统铜基、铝基相变传热器件可以通过调整轮廓尺寸满足不规则安装空间的散热需求，在笔记本电脑、智能手机、大功率 LED、以及新能源汽车等领域得到了广泛应用；但是金属壳体决定了其不具备反复弯曲的特性，不能满足当前柔性屏电子器件对散热系统的柔性化需求。结合目前柔性屏电子器件的散热需求与相变散热技术，研究人员提出了柔性热管的概念，其工作原理与传统刚性相变传热元件相同，都是利用热管内部的毛细结构实现工质在传热元件内部的相变循环，达到高效传热的目的。通过优化传统相变传热元件的结构形式和更换壳体材料等手段开发具有弯曲特性的高效可靠的柔性热管，已经成为当前热管领域的研究热点。
本文针对热管技术在柔性屏微电子器件散热领域中的柔性化发展趋势，介绍了当前柔性热管的结构类型、封装工艺和应用领域，总结了目前国内外关于柔性热管在吸液芯结构和封装工艺等方面的研究进展，分析讨论了其在柔性微电子器件散热领域应用中存在的不足，并对柔性热管的发展趋势进行了科学预测与展望。
01 柔性热管类型及应用
近年来，电子器件核心部件性能的提升引起电子器件的功耗日益增加，智能手机处理器的发热功率已经达到了 3～5 W；而电子器件小型化的发展又缩小了电子器件内部可利用的散热空间，智能手机的厚度大多只有 6～8 mm，微电子器件的散热问题愈发严峻。相变散热技术是解决当前电子器件散热难题的首选方案，超薄化相变传热器件已经在轻薄型电子设备中得到了应用。折叠屏、柔性屏技术的发展及应用，使得柔性屏手机、电脑及衣物等柔性可穿戴式电子设备日益流行，成为微电子设备发展的潮流。苹果、三星、华为和联想等各大电子设备生产厂家相继推出柔性屏产品或提出柔性屏产品概念，部分柔性可穿戴式电子设备如图 1 所示；传统铜、铝基刚性相变传热元件显然不能满足柔性电子设备的散热需求，“柔性化”成为相变传热元件实现轻薄化之后的新发展方向。
图1 柔性电子设备
如图 2 所示，根据柔性热管的结构形式可以将其分类为以下三种：利用金属弹性形变实现小幅度弯曲变形的超薄热管、利用金属波纹管或者柔性聚合物管实现弯曲变形的“三段式”柔性热管以及采用柔性膜作为壳体从而实现弯曲变形的聚合物基体柔性平板热管。此外，也可以根据柔性热管的基体材料，将其分为金属基体柔性热管、聚合物-金属复合基体柔性热管和聚合物基体柔性热管三类。
图2 柔性热管分类及相应样品图片
1.1 超薄热管
超薄热管是厚度小于 2 mm 的热管的统称，采用铜、铝等高热导率金属材料做外壳，利用金属材料的弹性形变可以实现小幅度的弯曲变形。受益于金属外壳成熟的封装工艺，这一种类的柔性相变传热元件已经实现了批量化生产及应用，在平板电脑、笔记本电脑和智能手机等电子器件的散热领域取得了显著效果。然而受限于金属材料较高的强度，这一类柔性相变传热元件的形变量普遍较小。在实际应用中，往往根据安装空间进行一次性弯曲，使用过程中不发生反复弯曲。因此，这一类型的柔性热管难以适应折叠屏、柔性屏电子器件散热领域反复弯曲折叠的使用需求。
超薄热管根据结构形式可以分为传统型超薄热管和“气液共面”型超薄热管两类，其结构形式如图 3 所示。传统超薄热管的蒸汽腔和液腔处于上下异面的结构状态，热管截面包括两层壳体、两层吸液芯和蒸汽腔，如图 3a 所示；为了满足轻薄化电子器件的散热需求，逐渐出现了如图 3b 结构形式的传统型超薄平板热管，在热管结构形式上减少了一层吸液芯，并可以适当减少蒸汽腔的厚度，但是其蒸汽腔与液腔仍处于异面状态；华南理工大学汤勇等提出了“气液共面”形式的超薄热管，如图 3c所示，热管的蒸汽腔和液腔处于同一平面，吸液芯位于热管腔体中间，蒸汽腔分布于吸液芯两侧，液体工质通道——吸液芯和气体工质通道——蒸汽腔处于同一平面。相对于传统型超薄热管减少了一层吸液芯和蒸汽腔，热管可以达到极薄的理论厚度(0.2 mm)。
图3 超薄热管结构形式
华南理工大学汤勇等制作了一种具有多孔吸液芯的超薄铝基平板热管，采用连续挤压技术制作了多通道铝基外壳，引入多孔吸液芯后采用相变压扁工艺制作了最终厚度仅为 1.5 mm 的气液共面型铝基超薄热管，测试表明其极限功率可达 30 W，蒸发段热阻和冷凝段热阻分别为 0.06 K/W 和0.01 K/W。
LEE 等制作了厚度为 0.67 mm 的传统型铜质柔性平板热管，采用超亲水处理的铜丝网作为吸液芯，大空隙铜丝网支撑热管腔体并提供蒸汽通道。该柔性平板热管的结构形式如图 3c 所示。搭建了如图 4 所示的测试平台对柔性热管的传热性能进行了测试。结果发现，在平板工作状态下，当加热功率为 2 W 时热管对应的热导率约为 3000 W/mK；当热管弯曲半径为 95 mm 时其热导率下降约10%～20%。
图4 LEE 等制作的传统型铜质柔性热管及其测试系统
日本的 Furukawa 公司于 2004 年推出了名为“PERA-FLEX”的金属外壳柔性热管，如图 5 所示。该产品采用铜箔作为外壳，去离子水作为工质，具有 0.7 mm 和 0.55 mm 两种厚度规格，其极限功率分别为 15W 和 8W。
图5 PERA-FLEX 柔性超薄热管产品照片
华南理工大学汤勇等采用直径 2mm，壁厚0.08 mm 的铜管作为超薄热管的管壳，以碱辅助氧化处理后的超亲水铜丝网作为吸液芯，制作了压扁厚度 0.4 mm 左右的“气液共面”型超薄热管，其极限功率可达 5 W。制作的超薄热管和具有丰富表面形貌的铜丝网吸液芯如图 6 所示。测试结果表明超薄热管在水平、竖直和倒置条件下的传热性能都随着热管压扁厚度的减小而逐渐降低，特别是厚度<0.4 mm时热管的传热性能急剧降低；然而不同工作条件对热管极限功率的影响很小，说明重力对超薄热管的传热性能影响较小。
图6 气液共面型超薄热管及超亲水铜丝网吸液芯微观形貌
超薄热管可以通过金属的弹性变形实现一定的变形量，然而在反复弯折的使用状况下其寿命将急剧降低。在实际应用场合中，往往通过一次性塑性变形将热管加工成特定形状并安装在指定空间中，其在使用过程中并不发生形变。虽然金属外壳柔性热管能够满足目前轻薄型电子器件的散热需求，但是难以适应柔性屏电子器件大变形、反复弯折的使用场景。因此，采用新的热管形式或者柔性管壳材料制作可以反复弯曲变形的柔性热管成为热管领域的新兴研究方向。
1.2 三段式柔性热管
三段式柔性热管指将两段金属管和一段聚合物柔性管或金属波纹管拼接在一起作为管壳，两段金属管分别位于热管的两端充当蒸发段和冷凝段，聚合物管或金属波纹管位于热管的中间充当绝热段，并实现热管柔性弯曲的功能。三段式柔性热管可以实现任意方向的弯曲和大变形量弯曲，在航空航天柔性电子器件散热领域得到广泛应用。然而受限于特殊的结构形式，三段式柔性热管的管壳基本都是圆形，而且外形尺寸较大，直径往往在 6 mm以上。
BLISS 等于 1970 年提出了最早的三段式柔性热管，采用黄铜波纹管作为柔性绝热段，采用 4层不锈钢丝网组成吸液芯。该热管的绝热段安装了一个弹簧，起到固定丝网吸液芯、增强热管回弹能力的作用，最终该热管可以实现 45°或 90°的弯曲。中国于 1978 年开展了基于铝波纹管和不锈钢波纹管的三段式柔性热管实验，制备了有效长度约400 mm、极限功率约 52W 的柔性热管。
JAIPURKAR 等制备了长度 270 mm、外径10mm 的三段式柔性热管，如图 7 所示，采用不锈钢波纹管连接两根铜管作为外壳，其吸液芯结构为铜丝网，具有良好的柔性可以与壳体同步弯曲，热管极限功率可达 60W。三段式柔性热管主要应用于航空航天领域电子器件的散热，主要目的是满足刚性热管安装困难、展开式热辐射板和冷热端相对振动场合的散热需求。三段式柔性热管的壳体材料主要采用不锈钢和铜，少部分采用铝和镍，不锈钢丝网和铜丝网是常用的吸液芯结构。得益于金属壳体良好的热导率，这一类的三段式柔性热管具有良好的传热性能。
图7 采用不锈钢波纹管和铜管制作的三段式柔性热管
近年来高性能聚合物材料技术得到了迅猛发展，聚合物柔性管正逐渐取代金属波纹管，成为三段式柔性热管的绝热段。YANG 等制作了适用于可折叠电子器件的柔性热管，如图8 所示，采用氟橡胶管连接热管的蒸发段和冷凝段，同时在绝热段放置一个弹簧以避免热管弯曲时氟橡胶管被压扁。测试结果表明热管在加热功率为 12W 时的热阻仅为 0.008 K/W，然而热管弯曲会影响管内工质气体的流动，增加热管蒸发段液-气交界面的接触热阻，导致柔性热管的热阻随弯曲角度的增加而增加。
QU 等利用氟橡胶管连接铜沟槽管制作了长度约 1.07m 的柔性振荡热管。利用氟橡胶管良好的柔性该热管实现了“U”型、“N”型和阶梯型弯折。当热管的注液率为 70%时其极限功率可达 165W，然而热管在弯曲状态的启动性能和传热性能相对于直线工作状态有所降低。
HUANG 等通过方式人类脊椎结构，采用聚乙烯醇管作为柔性段制作了极限功率约为 14W 的柔性热管。该热管的柔性段采用多节长度约 15mm的铜管作为内部支撑，可以保证热管在弯折过程中的平滑过渡，为制作三段式柔性热管提供了新思路。
三段式柔性热管具有良好的柔性，可以实现大变形量反复弯折，能够满足高散热功率、长传输距离和大结构尺寸场合的散热需求；然而其绝热段与蒸发段、冷凝段的连接结构使得这一类型热管的内外径相差较大，造成热管的整体直径较大，其结构特征限制了三段式柔性热管向小型化、轻薄化方向的发展。同时，三段式柔性热管都采用圆柱形外壳，目前还没有出现具有扁平壳体结构的三段式柔性热管，影响了热管与散热元件之间的接触。这些缺陷限制了三段式柔性热管在紧凑型电子器件散热领域的应用，发展轻薄化的柔性相变散热器件是解决当前柔性屏电子器件散热难题的关键。
图8 柔性热管结构示意图及热管测试装置示意图
①冷却块；②热电偶；③数据采集卡；④绝热材料；⑤加热器；⑥直流电源
1.3 聚合物基体柔性热管
近年来耐高温、高性能聚合物材料的发展使得以高分子聚合物膜为基体制作超薄柔性热管成为可行方案。利用聚合物薄膜良好的柔性实现热管的弯曲变形，热管在多次变形使用状况下保持良好的传热性能，同时具有轻量化、超薄化优势，是解决紧凑型柔性电子器件散热难题的必然选择。此外，聚合物材料具有良好的绝缘性，采用聚合物基体制作的柔性热管基本不会影响电子器件的绝缘要求，特备适合在电子器件内部集成使用目前聚合物外壳柔性热管主要是柔性平板热管，大部分都采用金属丝网作为吸液芯，少部分采用聚合物基体吸液芯。
TANAKA 等采用自润湿液体作为工质制作了以聚酰亚胺为壳体的无吸液芯平板热虹吸管。研究结果表明，超轻、无吸液芯的热虹吸管可以在低重力条件下正常工作。目前，聚合物薄膜还不够致密，因此常将聚合物膜与金属薄膜复合使用，以保证柔性热管的气密性。
OSHMAN 等对聚合物外壳柔性热管的制备和表征进行了大量研究，采用聚酰亚胺覆铜膜 20 µm、聚乙烯膜 12 µm、聚对苯二甲酸乙二酯9 µm、铝箔 89 µm、线性低密度聚对苯二甲酸乙二酯(Mylar 膜)复合膜、液晶聚合物膜、液晶聚合物覆铜膜等以聚合物膜为基体的材料制作了柔性平板热管，Mylar 膜的结构示意图如图 9 所示，其他聚合物金属复合膜具有类似的形式。采用铜丝网作为吸液芯，并采用二氧化钛纳米涂层对铜丝网进行了超亲水处理，以增强毛细性能。在铜丝网吸液芯上方具有大孔隙率的尼龙丝网，尼龙丝网支撑柔性壳体避免柔性热管随着气压变化而发生变形，同时形成热管内部的蒸汽通道。该柔性热管的结构形式如图3b 所示。该系列柔性平板热管的传热功率可以达到20～40 W，最高等效热导率约为 1653 W/mK。
图9 Mylar 膜结构示意图
LIM 等制备了外形尺寸为 85.5×53.4×1 mm3的柔性脉动热管，其壳体以低密度聚乙烯材料(Low density polyethylene，LDPE)为基体，并采用飞秒激光加工技术在低密度聚乙烯基体上加工微沟槽结构作为吸液芯。热管壁面由多层薄膜组成，由内向外依次是厚度 38.5 µm 的线性低密度聚乙烯、17.4 µm厚的 LDPE、6.9 µm 厚的铝箔、18.7 µm 厚的 LDPE和 9.1 µm 的 PET，线性低密度聚乙烯和铝箔可以有效抑制不凝性气体的通过；在热封边界喷涂铟涂层进一步阻止不凝性气体渗透，因此该柔性脉动热管的寿命长达 306 天，达到其他聚合物膜基体的脉动热管寿命的 17 倍。采用 HFE-7000 作为工质，其热阻为 2.41 K/W，相对于铜片降低了 37%。其吸液芯及柔性热管实物照片如图 10 所示。
图10 LDPE 吸液芯及柔性脉动热管
LIEWS 等采用 Kapton 薄膜为壳体，利用微模板法在薄膜表面制作了具有微图案的 SU-8 吸液芯和支撑结构，采用 TiO2 纳米涂层充当防潮层并增强薄膜的润湿性，其结构示意图如图 11 所示。该柔性平板热管的厚度仅为 0.3 mm，传热功率可达9.54 W，热导率为 541 W/mK。
图11 柔性平板热管结构示意图及样品照片
HSIEH 等采用硅橡胶和铜片结合的方式制作了厚度 4 mm 的柔性平板热管，可以实现 15°～90°的弯曲。硅橡胶作为壳体的主要结构，铜片嵌装在热管的蒸发段和冷凝段以提高壳体的传热效率。测试结果表明热管在竖直方向弯曲 15°时传热性能最好，极限功率可达 12.67 W。
WANG 等制备了直径约 32 mm、长度为 72 m的超长柔性热管，并应用于柏油路面的冰雪融化系统，其作用原理如图 12 所示。该热管采用胶水黏结高密度聚乙烯材料和金属膜作为外壳，并掺杂 20%的导电填料加强管体，液氨作为工质，将浅层地热传递至柏油路面并融化冰雪。研究表明，该热管的最佳灌液量为 62%～65%，在保持较高机械强度的同时其热导率可达 1 W/mK，功率可达 850～1200 W。聚合物具有良好的抗腐蚀性能，在潮湿环境下也可以保持较长的寿命，能够满足路面冰雪融化系统的使用需求。
图12 基于超长柔性热管的路面冰雪融化系统
目前针对聚合物基体柔性热管的研究还相对较少，限制聚合物外壳柔性热管发展的因素主要有以下几点：① 聚合物薄膜封装工艺复杂，封装效果不稳定，耐久性差，造成聚合物外壳柔性热管寿命较短；② 聚合物薄膜的气密性较差，气体分子能够通过聚合物分子间隙，在实际应用中通常采用聚合物膜复合金属膜的方法保证热管壳体的气密性，降低了热管的柔性；③ 聚合物薄膜亲水性较差，目前还未出现聚合物基体的吸液芯，聚合物与工质兼容性的研究相对较少。目前大部分柔性热管都采用铜丝网吸液芯-去离子水工质的组合。
