热管理是一种利用加热或冷却方式对产品温度或温差进行调节和控制的工程系统。热管理涉及的物理原理包括热传导、热对流和热辐射的一种或多种，在工程应用时往往涉及物理、电子和材料等学科，是一类高复杂度的系统。热管理应用的历史已经十分久远，1946年历史上第一台计算机ENIAC就需要采用大功率风扇进行散热。目前，热管理的主要应用领域包括：手机、平板电脑等消费电子产品；通信基站、数据中心等数字基础设施；汽车、飞机和火箭发动机等动力部件。近年来，5G技术和新能源技术的迅猛发展，给热管理行业的发展带来了新的机遇。其中，5G技术使得手机和基站的功耗显著上升，但却对小型化、集成化提出了更高要求；新能源汽车对环境温度的要求显著高于传统燃油车，需要从材料、模组和设计等环节提出解决方案。
一、工作原理简介
根据工作原理的不同，热管理材料可分为主动式（有源式）和被动式（无源式）两种。主动散热器件普遍采用热对流原理，对发热器件进行强制散热，比如风扇、液冷中的水泵、相变制冷中的压缩机。主动散热器件特点是效率高，但需要其他能源的辅助。被动散热普遍采用热传导或热辐射原理，主要依靠发热体或散热片进行降温。手机终端、平板电脑等轻薄型消费电子受内部空间结构限制的影响，一般采用该方式。被动散热方式的散热片包括石墨散热膜、石墨烯膜、热管和均热板等。为有效传导热量，发热器件和散热器件之间往往需要热界面材料的使用，如金属钎焊层、导热硅胶、导热膏等。
在实际应用场景中，热管理材料及器件往往需要组合使用。以新能源汽车上广泛采用的IGBT功率器件为例，芯片向外界传热的路径上包括芯片焊接层（金属）、DCB/AMB陶瓷线路板层（包括陶瓷基板层和覆铜层）、系统焊接层（金属）、金属基板、界面材料（导热硅脂）和散热器，最终由散热器与空气通过对流传热和辐射传热，整个传导过程中存在热阻，热阻是影响 IGBT 功率模块散热的主要因素，要想增强散热效果，减小热阻是最主要的方法。随着芯片性能、器件小型化、轻量化等需求的不断提升，业界对热管理设计的要求也在不断提升，热管理研发人员需要灵活应用主动-被动热管理方式，以及对基板、热沉和界面热材料等进行排列组合。例如，IGBT模块可与均热板、热电模块甚至是液冷模块相结合，以实现更好的散热效果。
二、热管理材料分类
5G手机、5G基站和新能源汽车是热管理材料最主要的增量市场。在所有热管理材料中，界面材料（导热硅胶等）在各行业中的应用最为广泛，其次是热管/均热板、石墨/石墨烯膜和高导热金属材料。本部分简要介绍热界面材料、石墨烯膜和均热板等材料/器件的概念、工作原理及制造工艺。
1、热界面材料
热界面材料主要分为导热硅脂、导热硅胶和导热凝胶三大类。目前，美国日本的企业，如 Laird(莱尔德)、Chomerics(固美丽)、Bergquist(贝格斯，汉高收购)、Fujipoly(富士高分子工业株式会社)、SEKISUI ( 积水化学工业株式会社)、Dowsil(陶熙)、ShinEtsu(信越化学工业株式会社)和 Honeywell(霍尼韦尔)等占据了全球热界面材料 90% 以上的高端市场。我国高端热界面材料主要依赖从日本、韩国、欧美等发达国家进口，国产化电子材料占比低。
1）导热硅脂
导热硅脂又叫做导热膏，是一种高导热绝缘有机硅材料。它是以硅油为原料，并添加导热填料、稳定剂等添加剂，在经过加热减压、研磨等工艺之后形成的一种酯状物，该物质有一定的黏稠度，没有明显的颗粒感。可以有效地填充各种缝隙，主要应用环境为高功率的发热元器件与散热器之间。导热硅脂典型生产工艺流程如下图所示。
常用作基油的有二甲基硅油、甲基苯基硅油、长链烷基硅油和氟烃基硅油等。常见的导热填料主要有：①金属类，常见比如银、铜、铝等；②陶瓷类，氮化硼、氮化铝、氮化硅、氧化铝、氧化锌、氧化铍、二氧化硅等；③碳素类，比如石墨、石墨烯、碳纳米管、炭黑等。
2）导热硅胶
导热硅胶与空气中的水分发生缩合反应放出低分子引起交联固化，可在短时间内固化成硬度较高的弹性体，是一种单组份脱醇型室温固化硅橡胶，具有对电子器件冷却和粘接功效。固化后与其接触表面紧密贴合以降低热阻，从而有利于热源与其周围的散热片、主板、金属壳及外壳的热传导。导热硅胶的典型生产工艺流程如下图所示。
导热硅胶具有卓越的抗冷热交变性能、耐老化性能和电绝缘性能，并具有优异的防潮、抗震、耐电晕、抗漏电性能和耐化学介质性能，对包括铜、铝、不锈钢等金属有良好的粘接性。相对而言，导热硅脂的适用范围更广一点，几乎适合任何散热条件的需要；硅胶更适合用在需要一次性粘合场景，比如显卡的散热片等。
3）导热凝胶
导热凝胶是以硅胶复合导热填料，经过搅拌、混合和封装制成的凝胶状导热材料，其具有热阻低、绝缘性能好、所需工作压力小、稳定性好、附着力强、界面几何条件要求低等特性，是一种新型高效导热界面材料。导热凝胶的典型生产工艺流程如下图所示（与导热硅胶基本一致）。
导热材料可看作是硫化后固液共存的硅胶和导热填料的混合体，其同时具有导热硅胶和导热硅脂的某些优点，较好得弥补了二者的弱点。
2、均热板
均热板简称VC（Vapor chamber）板，主要利用密封空间内的冷却工质（通常为水）相变蒸发而将热量迅速扩散到腔体，在冷凝端工质冷凝为液体后，通过毛细力、重力又回流到热源端。均热板和微热管就是这种典型的相变导热器件，其传热性能是自然界导热材料的几十到几百倍。
均热板的典型生产工艺流程如下图所示。由于其良好的导热性能，被广泛应用于高热流密度的电子芯片散热，如智能手机芯片、笔记本和大部分电脑的CPU/GPU等，而传热性能更好的均温板则广泛应用于服务器芯片和智能手机芯片，由于VC板为二维面与面热传导，与热管为一维线性的热传导相比，均温板热传递的效率更高。
3、石墨/石墨烯膜
相比于铝、铜等金属材质，石墨/石墨烯具有耐高温、热膨胀系数小、导热导电性良好、化学性能稳定、可塑性大等特点，使其能更好地进行热传导，更快将热量传递出去，降低电子设备在使用过程中因热量过高而导致无法使用的情况。同时，石墨/石墨烯具有良好的均热效果，可以有效防止电子产品局部过热。
1）石墨导热膜
根据制作方式、导热系数、尺寸厚度等不同，石墨散热材料可以分为天然导热石墨片、人工合成散热石墨膜和纳米复合石墨膜。其中，天然导热石墨片是在高温高压下，通过化学方法得到的石墨化薄膜，导热系数为800-1200w/m-k，厚度最薄是0.1mm。人工合成石墨膜是在极高温度环境下，通过石墨合成的方法，制得的一种碳分子高结晶态石墨膜，膜结晶面上的导热率达1500-2000W/m-k，厚度可以达到0.03mm，是用于消除局部热点的理想的均热材料，可以在热点和散热体之间充当热传输桥梁。石墨导热膜典型工艺如下图所示。
2）石墨烯导热膜
近年来，从低阶的石墨散热、金属背板、边框散热、导热凝胶散热到中阶的热管散热再到高阶的均热板散热等，智能手机散热技术不断更迭，并出现多样化多维的散热组合方案。作为新材料行业的“后起之秀”—— 新型石墨烯导热膜，因其突出的超高导热率及热通量性能优势，逐渐成为主流的散热技术。石墨烯导热膜典型工艺如下图所示。
4、高导热金属复材
热管理用金属基复材是指应用方向为热管理用（尤其是金属基板、散热器等）的金属基复材，主要强调金属基复材的热导率指标，同时兼顾复材的密度、强度和热膨胀系数等指标。铝、铜、镁复材的基体本身具有较高的热导率，已经成为热管理用金属基复材的主流产品。其中，Al/SiC、Mg/SiC体系具有密度低、热导率高、热膨胀系数可调等优势，在航空航天和电子封装领域已经有了成熟应用；Al/Graphite、Cu/Graphite体系除具有密度低、热导率高、热膨胀系数可调等优势外，还具有成本低、易加工的显著优势，因此最具产业化潜力；Al/Diamond、Cu/Diamond体系具有最高的热导率（可到900W/mk），在一些高附加值产业领域如军工、高功率器件上有望大面积推广。
金属基复合材料国内外已形成规模化生产的技术主要是粉末冶金技术、搅拌铸造技术和压力/无压浸渗技术。其中，压力/无压浸渗技术易于获得高刚度、高导热、低膨胀等特殊性能的金属基复合材料，可以实现复杂构件的免加工一次成型，广泛应用于大功率电子器件热沉。
三、市场规模预测
在整个热管理市场中，新能源汽车热管理的市场总量最大，约为千亿级（本文不做展开）；5G手机热管理的市场其次，约为数百亿；5G基站热管理的市场相对小，约为数十亿。
1、5G手机热管理
根据头豹研究院和市场研究机构Juniper Research测算，到2025年5G兼容智能手机销量将占到智能手机销售销量的50%以上。预计2022年5G手机全球销量达5亿以上，2025年5G手机销量达10亿台以上。
4G时代，手机主要散热技术为导热片和导热界面材料，其中石墨导热膜（石墨片）是4G手机主流散热方案，热管/均热板只在部分高端手机或游戏手机上少量应用。到了5G时代，“石墨片+热管”或“石墨片+VC”将成为手机标配，手机散热系统价值量将大幅提升。4G 时代单机石墨片价值量普遍在 2-3 元，5G 手机石墨片用量有望翻倍；而手机热管单价多在 5-10 元，手机 VC 价格约 10-20 元。预计2025年手机热管理市场规模高达500亿以上。此外，石墨烯导热膜在5G手机中应用越来越广泛，未来有望成为热管理器件中价值增量最大的部分。
2、5G基站热管理
根据2021年11月份发布的《“十四五”信息通信行业发展规划》，预计2025年每万人拥有5G基站数达26个，即全中国5G基站数量达到360万以上。目前，我国已建成5G基站数量超过160万个，占全球70%以上。根据以上数据预测，2022-2025年年均建设基站数将超过60万以上。另根据华金证券研究所统计的三大运营商数据，2022-2025年年均基站数接近100万左右。
5G 频段相比 4G更高，5G基站的整体能耗也大幅高于4G基站。根据公开数据简单测算，三大运营商建设单个基站的成本在15万-20万左右（集采总额/集采数量，埃米空间预估）。根据华金证券研究院预估，单个5G基站的散热器件价值量约为2000元/台。根据以上数据测算，未来国内5G基站热管理的年均市场规模10-20亿左右。与5G手机热管理产业类似，5G基站热管理器件生产商的平均利润率在30%左右。而5G基站热管理与5G手机热管理最大的差异，在于5G基站需要金属鳍片一类的大体积有色金属基的散热器，尤其是铝基为主的散热器。
四、产品路线预测
5G智能终端的性能、形态仍将快速迭代发展，智能终端厂商对热管理的需求也将持续变化，势必将给热管理行业带来新的挑战和机遇。
1、市场路线预测
如前文所述，影响5G手机热管理的功能模块主要包含两大方面：
一是器件性能提升，如芯片性能和功率的提升、毫米波频段的应用等，表现为器件数量和器件发热量的不断提升。
二是5G手机功能增加，如无线快充、折叠屏幕，导致手机内部空间设计难度的增加，表现为热管理器件的应用范围不断被压缩。
预计到2025年，毫米波频段、超高功率无线快充、折叠屏幕将成为业界标配，手机处理器普遍进入4GHz时代，手机热管理压力将比当前有显著的增加。
2、需求路线预测
随着5G智能终端热管理压力的持续攀升，智能终端生产厂商也将对热管理材料提出新的需求：
一是界面高导热的需求，将从高导热基体逐渐过渡到高导热基体+高导热填料的复合材料上去；
二是均热器件形状的需求，主要是厚度的进一步降低以及超大面积器件的应用，此外还包括柔性、异形等需求；
三是功能的复合化，例如中框背板的一体化散热，超高热导率石墨烯散热膜、电磁屏蔽导热一体化等。
3、产品路线预测
面向未来手机终端厂商的需求，热管理材料生产企业需要持续布局新产品，以在差异化竞争中取胜：
界面材料需要不断提升热导率，并控制在合理的成本范围内；
导热膜/片主要是开发低成本的石墨烯导热膜等技术；
均热板则需要在超薄、大尺寸、异形和柔性等结构上实现突破。
