芯片散熱技術(shù)研究開發(fā)實驗室項目可行性研究報告

2 2 2 2 2 3 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 9 4 1技術(shù)支撐單位：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所以《液態(tài)金屬芯片散熱器技術(shù)》為基礎(chǔ)，依據(jù)市場的需要，2擬組建包括散熱器結(jié)構(gòu)工程師、電氣工程師、儀表工程師、材2.1項目建設(shè)的必要性及社會經(jīng)濟意義近年來，各類電子器件一直是朝著提高集成度及減小器件尺寸的趨勢發(fā)展，芯片功率與功率密度也急劇增加，而由此帶來的過高溫度將降低芯片的工作穩(wěn)定性，出錯率增加，同時模塊內(nèi)部與其外部環(huán)境間所形成的熱應(yīng)力會直接影響到芯片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性，所以芯片耗能和散熱問題已成為重中之重。目前對高性能冷卻技術(shù)的需求已提到了前所未有的高度。對應(yīng)地，器件冷卻技術(shù)的市場需求也就隨之增長，可以預(yù)期其容量將大大超越當前水平。事實上不僅對于計算機芯片，對于各類軍民用電子設(shè)備、通訊基站、大功率電子設(shè)備、光電器件以及近年來發(fā)展迅速的微/納電子機械系統(tǒng)、生物芯片等都存在類似的廣泛而迫切的散熱冷卻需要。信息產(chǎn)業(yè)目前3液態(tài)金屬散熱技術(shù)，是世界首創(chuàng)的高新技術(shù)新型產(chǎn)業(yè)，具有應(yīng)用范圍廣，發(fā)展前景看好的優(yōu)勢。本項目技術(shù)可同時開發(fā)應(yīng)用于各類計本項目的實施將為發(fā)展超高功率密度芯片冷卻技術(shù)開辟一條全新途徑，在廣泛的民用、工業(yè)及軍事領(lǐng)域尤其是涉及先進熱量傳輸系該項目的實施符合國家調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的戰(zhàn)略要求?？蔀槿珖秶鷥?nèi)的計算機及高密度功率發(fā)熱領(lǐng)域解決熱障問題，提高我國計算機及高密度功率領(lǐng)域設(shè)備的使用效率及性能，因此本項目已在太原市發(fā)改委立項并批復(fù)，同時通過了太原市環(huán)保局的環(huán)評。本公司與中科院理化所簽訂了國內(nèi)獨家“液態(tài)金屬”專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同，是山西省太原市與中關(guān)村進行科技產(chǎn)業(yè)對接引進的項展產(chǎn)學(xué)研合作?，F(xiàn)有人員40人，其中從事研發(fā)人員20人，均為本科5液態(tài)金屬芯片散熱器（萬套）平均銷售單價（元/套）銷售收入、產(chǎn)值（萬元）總成本（萬元）銷項稅金（萬元17%）利潤總額（萬元）所得稅（利潤的20%）凈利潤稅金總額40000220002400020000460043201234567896大的經(jīng)濟效益和社會效益。預(yù)計僅在國內(nèi)就有超3.5人才隊伍建設(shè)目標7稅務(wù)登記證等相關(guān)證件。是主要經(jīng)營電子器材、計算機芯片散熱的研月出生，負責(zé)項目的全面組織實施。多年來創(chuàng)建了好幾個公司并從事技術(shù)發(fā)明人。負責(zé)將液態(tài)金屬散熱技術(shù)等多項先進科技成果進行轉(zhuǎn)8種國際學(xué)術(shù)期刊論文審稿人，應(yīng)邀擔任3個英文期刊Editorial目主持人先后獲得中國青年科技獎，茅以升科學(xué)技術(shù)獎—北京青年科技獎，中國國際工業(yè)博覽會創(chuàng)新獎、中國電子學(xué)會電子信息科學(xué)技術(shù)二等獎以及國家自然基金委優(yōu)秀進展項目獎等。他長期致力于醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)技術(shù)與生物傳熱傳質(zhì)學(xué)方面的研究工作，并取得系列在國際上有有關(guān)前沿交叉領(lǐng)域的發(fā)展起到重要作用，相應(yīng)貢獻得到同行認同。此外，他還應(yīng)邀撰寫中英文著作中10余個章節(jié)，在國內(nèi)外刊物發(fā)表論9“液態(tài)金屬芯片散熱器”項目的研發(fā)單位是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，由本實驗室進行科技成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。本實驗室擬有員工40人，都是大專以上學(xué)歷，其中從事研發(fā)人員20多人，另外實驗室用進行產(chǎn)品技術(shù)研究和產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。現(xiàn)學(xué)院力學(xué)研究所流體力學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。鄧中山博士曾先后榮獲全國優(yōu)秀博士論文提名、第22屆國際制冷大會最佳墻報論文獎、中國科學(xué)院優(yōu)秀博士論文獎、中國科學(xué)院院長獎優(yōu)秀獎、北京市青年優(yōu)秀科技論文二等獎，并入選了2006年度北京市科技新星計劃。他主要從事熱物理學(xué)科與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)方面的交叉課題研究，在腫瘤冷、熱療及生物傳熱等生物醫(yī)學(xué)工程問題的研究上取得了一系列創(chuàng)新性成者科研啟動專項資金資助項目，一項中國科學(xué)院院長獎獲得者科研啟項目的聯(lián)系人，負責(zé)與各方的組織協(xié)調(diào)，組織項目組起草文件及擬定本項目研發(fā)成果的產(chǎn)品化設(shè)計和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能的優(yōu)化。多年來從事目的硬件開發(fā)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化。多年來從事硬件研發(fā)工作，有實際的研發(fā)經(jīng)驗見下表2。張發(fā)旺鄧中山楊建民王俊發(fā)張伏層支昆明生導(dǎo)師研究員工程師工程師工程師工程師工程師工程師工程師低溫信息測控技術(shù)與儀器及自動化結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造機電一體化項目負責(zé)人材料設(shè)計技術(shù)協(xié)調(diào)熱設(shè)計聯(lián)系人軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝設(shè)計科技有限公司理化研究所理化研究所科技有限公司科技有限公司科技有限公司科技有限公司科技有限公司科技有限公司科技有限公司科技有限公司實驗室以中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所為技術(shù)支撐，配備了精通流體力學(xué)的散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁泵電氣設(shè)計、智能儀表設(shè)計、絕緣/導(dǎo)熱材料設(shè)計、熱設(shè)計等專業(yè)有經(jīng)驗的研發(fā)人員，并配置了各種專用及通用測試、檢驗設(shè)備，現(xiàn)已有能力完成各種應(yīng)用需求的液態(tài)金屬散熱器的研發(fā)和產(chǎn)品化。并且隨著更多有經(jīng)驗的專業(yè)精英的加盟，將更加能夠跟隨市場迅速發(fā)展的需求研發(fā)出適應(yīng)各種應(yīng)用場合的系列化實驗室實施科學(xué)化管理體系，首先由產(chǎn)品經(jīng)理反饋市場需求信息并將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求，再由項目經(jīng)理組織相關(guān)人員進行評審，確定設(shè)計方案并經(jīng)審核、評審后再進行技術(shù)設(shè)計、原理設(shè)計，整個設(shè)計過程嚴格執(zhí)行階段測試、評審和最終測試、驗證。產(chǎn)品研發(fā)過程中以市場需求為目標，以質(zhì)量控制未主線。保證設(shè)計輸出的批量生產(chǎn)產(chǎn)品零技術(shù)更改，為生產(chǎn)、銷售、服務(wù)提供可靠的產(chǎn)品化技術(shù)支撐。我們將始終堅持“創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新，敬業(yè)、高效”的團隊精神，攜手合作伙伴，三．項目的技術(shù)可行性和成熟性分析總公司已與中科院理化所簽訂了專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓合作合同，并以此作為項目建設(shè)的依據(jù)。此專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓合作合同是山西省太原市與中關(guān)村進行科技產(chǎn)業(yè)對接引進的項目。我公司與中科院理化所在中觀村共同成立了合作研發(fā)機構(gòu)，依托中科院理化研究所的技術(shù)人才資源和中關(guān)村的人才技術(shù)優(yōu)勢，就產(chǎn)品的后續(xù)多領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化開展方式屬于熱管理領(lǐng)域內(nèi)的原創(chuàng)性技術(shù)，是建立高效光電器件冷卻方法相關(guān)成果的領(lǐng)先性已經(jīng)國家授權(quán)的專業(yè)查新機構(gòu)——中國科學(xué)為冷卻流動工質(zhì)的芯片散熱技術(shù)，在國內(nèi)同類研究中未見相同文獻（含專利）報道，在國外研究中，與該技術(shù)相規(guī)所用的水、有機溶液等，而是在室溫附近即可熔化的低熔點金屬如鎵或更低熔點的合金如鎵銦等，由于液體金屬具有遠高于水、空氣及態(tài)金屬的熱傳輸能力，最大限度地解決了高密度能流的散熱難題。特別是，采用液態(tài)金屬后，散熱器尺寸可大幅減小，且易于通過功耗較低的電磁泵驅(qū)動，由此可實現(xiàn)整體集成化的微型散熱器。此外，液態(tài)金屬散熱技術(shù)還具有性能穩(wěn)定可靠、無運動部件、噪音低、節(jié)能、可項目前期取得的典型研究進展包括：篩選出符合光電器件散熱工況要求的系列低熔點金屬合金工質(zhì)，發(fā)明了自然界導(dǎo)熱性最高的液體材料—納米金屬流體，測得一批重要的熱物性數(shù)據(jù)；提出了諸多嶄新微流道型液態(tài)金屬散熱器，以及“液態(tài)金屬+熱管”復(fù)合型散熱器、液態(tài)金屬脈沖熱管等，成功研制出系列適合于個人計算機、高性能計液體金屬冷卻技術(shù)近年來在國際上引起強烈反響，已成為先進散作，相繼得到多個國際著名科學(xué)媒體及產(chǎn)業(yè)界新聞雜志如New實際上，圍繞各類電子元器件中相當高的熱源密度，尋找具有高效熱輸運效能的散熱方法多年來一直是學(xué)術(shù)界及工業(yè)界競相追求的（NASA）等項目就投入了巨資來支持規(guī)公司的技術(shù)來自美國NanocoolerofPhysicsD：AppliedPhysics）所研制的室溫金屬流體散熱器的實驗系統(tǒng)圖為封面，報道了直接利用液態(tài)金屬散熱在技術(shù)理念上顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷及熱管等散熱技術(shù)，是近年來計算機熱管理領(lǐng)域取得的突破性進展，由于其前，國際上該技術(shù)已促成了多個由巨額風(fēng)險基金投資的新公司的成為CopenhagenStockExchange上市公司）也從液態(tài)金屬散熱著手獲得了大量風(fēng)險投資，并于2008年12月推出了已市場化的C有液態(tài)金屬散熱領(lǐng)域內(nèi)首項底層專利以及更多的擴展技術(shù)，因而為今件，散熱技術(shù)主要包括：風(fēng)冷散熱技術(shù)，以水冷為代表的液冷技術(shù)，熱管散熱技術(shù)及其各種變型。即通過擴展肋片，改進氣流分布，增大風(fēng)壓，將冷卻空氣壓送至散熱器件表面將該處熱量散走，此種方式的冷卻效率與風(fēng)扇速度成正比，因而會產(chǎn)生明顯噪音；風(fēng)冷散熱器冷卻隨著光電器件集成度的飛速增長，要求的換熱強用液冷或熱管散熱方式的產(chǎn)品相繼出現(xiàn)在市場上。液體因單位體積熱容遠大于氣體，作為循環(huán)工質(zhì)能夠提供更高的冷卻功率，是一種較佳選擇。然而，這類液體冷卻雖然效率較高，但在運行中由于工質(zhì)蒸發(fā)或泄露等會導(dǎo)致器件老化、腐蝕，對液體及流動管道的要求較高，可靠性尚有待提高，據(jù)報道，有些采用水冷的器件易于燒毀，原因就在于此類系統(tǒng)尚不可靠，一旦由于某些故障導(dǎo)致水流停止，則失去冷卻熱管是一種被動散熱，利用相變傳熱的冷卻方式，可以達到較之工質(zhì)封裝、維護及可靠性等仍有待于提高，使用壽命也較短，這使其應(yīng)用受到一定限制。對于熱管而言，尤為不利的因素在于，當熱流密），而液體金屬滲漏率為零，且具有遠高于水、空氣及許多非金屬介下表給出了液態(tài)金屬散熱技術(shù)與水冷技術(shù)的各項具體性能對比項目無1.3項目技術(shù)的來源及合作單位情況科學(xué)院感光化學(xué)研究所、低溫技術(shù)實驗中心為主體，聯(lián)合北京人工晶體研究發(fā)展中心和化學(xué)研究所的相關(guān)部分整合而成。全所現(xiàn)有專業(yè)技三世界科學(xué)院院士），中國工程院院士2人，研究員68理化學(xué)、凝聚態(tài)物理、制冷及低溫工程專業(yè)的博士和碩士學(xué)位及應(yīng)用化學(xué)碩士學(xué)位授權(quán)點，并設(shè)有化學(xué)、動力工程、工程熱物理及物理學(xué)博士后流動站?，F(xiàn)有在學(xué)博士生和碩士生4理化技術(shù)研究所是以物理、化學(xué)和工程技術(shù)為學(xué)科背景，以技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展為主的研究機構(gòu)?？傮w目標是根據(jù)國家戰(zhàn)略需求和國際科技發(fā)展前沿，開展前瞻性應(yīng)用基礎(chǔ)研究、戰(zhàn)略高技術(shù)研究和成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化研究；突出技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略性、關(guān)鍵性和集成性，在努力承擔探索促進科技成果轉(zhuǎn)化的新模式和新思路；形成較強的科技綜合實力、集成創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力，把理化技術(shù)研究所建設(shè)成為在國際上有重要影響的高水平的研究機構(gòu)。重點研究領(lǐng)域為光功能材料與器件、低溫工程學(xué)新技術(shù)、綠色化學(xué)合成新技術(shù)、能源材料與新技業(yè)委員會和中國物理學(xué)會低溫物理專業(yè)委員會等掛靠在理化所。負責(zé)在科研合作方面，課題組多次與國內(nèi)兄弟院校聯(lián)合開展研究工金屬散熱器原理性器件進行了充分探索，取得了許多令人鼓舞的結(jié)果。本項目擬推向產(chǎn)業(yè)化的高功率密度器件散熱技術(shù)，已通過蠕動泵及電磁驅(qū)動等方式進行了充分測試，結(jié)果表明，由于液態(tài)金屬具有遠高于普通流體的熱導(dǎo)率，其冷卻效果明顯優(yōu)于已有流體冷卻技術(shù)，且利于整個散熱系統(tǒng)的微型化，這一前期工作為發(fā)展高散熱密度冷卻技術(shù)開辟了新途徑。到目前為止，本實驗室已實現(xiàn)了多類電磁泵驅(qū)動的液態(tài)金屬散熱器，進一步揭示出該方法的優(yōu)越性，比如，流體金屬的十分突出的低功耗性。這些前期進展為本項目研究和產(chǎn)業(yè)化打下了良總之，液體金屬散熱器的冷卻性能十分快速顯著。形象的說，這是一種純金屬型但又借助于液體流動的高效微型散熱器，這些前期進展為本項目研究的展開打下了良好基礎(chǔ)；此外，國際機構(gòu)在落后于本實驗室的情形下，也相繼研制出用于計算機顯卡乃至臺式機、筆記本屬散熱的圖像顯示卡，引起轟動，被認為是“超乎想象力”的技術(shù)，充分證實了此項技術(shù)的現(xiàn)實可行性和實用價值。但由于并不真正擁有業(yè)化的成熟性和可靠性，特別是，由于我國擁有此領(lǐng)域內(nèi)的首項核心技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)，本項目的實施無疑將更全面確立我國在該技術(shù)推廣應(yīng)系統(tǒng)研究以室溫下呈液體狀態(tài)的低熔點金屬及其合金作為冷卻流動工質(zhì)的超高功率芯片散熱技術(shù)，探索篩選出可廣泛用于實際散熱器且熱工性能極佳的低熔點金屬及其合金組份，并通過大量實驗研究和技術(shù)探索，總結(jié)出低熔點液體金屬流體的流動和強化換熱規(guī)律，在此基礎(chǔ)上設(shè)計、優(yōu)化及加工高效的液體金屬芯片散熱器工業(yè)化樣機，直至將其推向大規(guī)模實際應(yīng)用。本項目的實施將為發(fā)展超高功率密度芯片冷卻技術(shù)開辟一條全新途徑，在廣泛的民用、工業(yè)及軍事領(lǐng)域尤其是涉及先進熱量傳輸系統(tǒng)、克服散熱瓶頸及熱控技術(shù)方面具有重大意義。值得指出的是，由于這一先進技術(shù)的前瞻性和重大實用價值，美國、德國及丹麥等多個國家已專門成立公司來推廣該技術(shù)，其方案與本實驗室的技術(shù)途徑完全一致，但在技術(shù)所有權(quán)的歸屬上則落后于我國。中科院理化技術(shù)研究所早于這些機構(gòu)申請了該項專利，擁有了自主的知識產(chǎn)權(quán)，使國內(nèi)巨大的市場得到了充分的保證，國外很難再將液態(tài)金屬制成的散熱器銷售到中國，而另一方面，中國則可將此類芯這種情況表明，本項目技術(shù)具有十分明確的產(chǎn)業(yè)化前景，以及十本項目技術(shù)可同時開發(fā)應(yīng)用于各類計算機或其他高功率發(fā)熱電信企業(yè)能源消耗中占有絕對比重，節(jié)能在電信行業(yè)勢在必行。在國內(nèi)電信市場日益飽和、競爭壓力加劇的背景下，降低能耗節(jié)約開支乃擺通常來講，移動通信基站由BTS設(shè)備、天饋系統(tǒng)、傳輸設(shè)備、整流器、蓄電池組、交流配電屏、變壓器、空調(diào)、環(huán)境監(jiān)控等組成。根耗，同時也受限于網(wǎng)絡(luò)負荷水平。統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，通信設(shè)備用電占機度有一定要求。為保障通信設(shè)備的正常運行和使用壽命，必須采取必要的溫控措施來平抑因用電設(shè)備散熱、室外熱傳導(dǎo)以及維護人員熱輻射而引起的機房溫度升高?？照{(diào)是基站機房的主要耗電設(shè)備，能耗比態(tài)金屬散熱技術(shù)正好可以和上述兩大節(jié)能方向結(jié)合，為通信設(shè)備提供高效散熱以降低其能耗的同時，還可有效減少基站空調(diào)的負荷。根據(jù)與待冷卻器件表面相接觸的散熱片，用于將液體金屬所帶來的熱量散走的肋片散熱器，連通管路以及設(shè)置在連接管路上的用于驅(qū)動液體金屬流動的微泵；液體金屬或其合金的流體介質(zhì)封裝密閉在散熱片而散熱片內(nèi)的流道形式可多樣化，原則上現(xiàn)行所有的流通管道形式均而僅利用器件運行中所釋放熱量來驅(qū)動的液體金屬散熱器，由于無任何運動部件及風(fēng)扇，這種裝置徹底實現(xiàn)了無噪音運行。溫差驅(qū)動方法之所以有效，得益于液態(tài)金屬冷卻劑自身擁有的兩個獨特優(yōu)點：二是作為導(dǎo)電性流體，易于采用無運動部件的磁力泵驅(qū)動。以往，這種泵需要在大電流條件下工作，才能產(chǎn)生足以驅(qū)動液態(tài)金屬循環(huán)的洛侖茲力，但如此一來會引起電路功耗及產(chǎn)熱較高，從而嚴重削弱技術(shù)通常，工作中的光電器件表面具有較高溫度，其與環(huán)境之間會形轉(zhuǎn)而供應(yīng)磁力泵并驅(qū)動循環(huán)通道內(nèi)的金屬冷卻劑流動，從而完成熱量的輸運。由此發(fā)展的散熱器可實現(xiàn)微型化及低功耗。目前不使用任何卻降溫需求，但要實現(xiàn)對更高功率密度器件散熱，則還需輔以一定的外加電流。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其熱電轉(zhuǎn)換效率越來越高，因而考慮到通訊基站和通訊機房設(shè)備的特殊性，我們設(shè)計了熱沉式散入口進入熱沉，流經(jīng)此M型流道，將所產(chǎn)生的熱量從熱沉的出口處帶此類設(shè)備主要保證結(jié)構(gòu)、儀表、電氣設(shè)計研發(fā)的適用性，另外保證階焊工序全部采用國產(chǎn)技術(shù)水平領(lǐng)先的精密數(shù)控設(shè)備；為保證液態(tài)金屬防氧化性，液態(tài)金屬熔合爐采用國產(chǎn)技術(shù)水平領(lǐng)先的真空設(shè)備，同時在液態(tài)金屬灌注前用國產(chǎn)技術(shù)水平領(lǐng)先高抽真空設(shè)備對已裝配好的結(jié)構(gòu)體進行抽真空作業(yè)，最后用高精密檢漏儀進行撿漏測試?？傊疄楸ＷC液態(tài)金屬散熱器系列化產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)化的推廣，并在降低投入成本的前提下，主要生產(chǎn)、測設(shè)、檢驗、驗證設(shè)備均采用國內(nèi)技術(shù)2.3裝備型號及需求實驗室裝備及需求見下表4。單序單位2431135套套序號51444452251134六.項目實施方案及分階段計劃進度安排實驗室由山西福泰隆科技有限公司建立，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所為協(xié)作單位，雙方合作以液態(tài)金屬散熱器的應(yīng)用開發(fā)為主要發(fā)展實驗室主要目標是高功率密度領(lǐng)域、計算機、高能儀器設(shè)備、服信號轉(zhuǎn)發(fā)站等領(lǐng)域液態(tài)金屬散熱技術(shù)的推廣其應(yīng)用，并形成產(chǎn)業(yè)化，為民用、工業(yè)及軍事領(lǐng)域尤其是涉及先進熱量傳輸系統(tǒng)、克服散熱瓶頸及熱控技術(shù)和節(jié)能方面作出貢獻研發(fā)合作和產(chǎn)業(yè)化的前期準備工作，并于2011年10月在北京組建了實驗室研發(fā)中心。目前公司正按照標準的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及流程積極籌47單位：萬元建筑工程設(shè)備購置安裝費用其它費用總價工程或費用名稱建筑工程設(shè)備購置安裝費用其它費用總價建設(shè)投資第一部分工程費用總圖133.01825.1921.672179.881.3生產(chǎn)車間1.5檢驗中心1.6機修間和庫房1.8給排水工程1.10綜合辦公樓1.12職工生活區(qū)1.13備品備件購置費2