芯片散热技术研究开发实验室建设项目可行性研究报告

1 芯片散热技术研究开发实验室建设项目 一 1 项目概述 目名称 芯片散热技术研究开发实验室建设 设性质 对液态金属芯片散热器立项，研发完成系列化产品，并推动其 20万套 /年产业化 目建设单位 人代表 目建设地址 北京市海淀区花园路庚坊国际发展中心 设目标 以液态金属芯片散热器技术为基础，依据市场的需要，研发出多品种、多用途的系列化液态金属散热器，并推动其产业化。 2 要建设内容 发团队建设 拟组建包括散热器结构 工程师、电气工程师、仪表工程师、材料工程师、热设计工程师和团队管理人员在内的 40 人研发团队。 验室建设 拟建项目占地面积 1000建（构）筑物面积约 13000投资 元，购置各种专用及通用测试、检验设备。 2 项目 建设 的社会经济意义 及目前的进展情况 目建设的必要性及 社会经济意义 近年来，各类电子器件一直是朝着提高集成度及减小器件尺寸的趋势发展，芯片功率与功率密度也急剧增加，而由此带来的过高温度将降低芯片的工作稳定性，出错率增加，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直 接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性，所以芯片耗能和散热问题已成为重中之重。目前对高性能冷却技术的需求已提到了前所未有的高度。对应地，器件冷却技术的市场需求也就随之增长，可以预期其容量将大大超越当前水平。事实上不仅对于计算机芯片，对于各类军民用电子设备、通讯基站、大功率电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微 /纳电子机械系统、生物芯片等都存在类似的广泛而迫切的散热冷却需要。信息产业目前已成为支柱产业之一，如果高集成度电子器件散热问题不能得到很好 3 的解决，必将对相关产业带来极大的限制，因此液态金属散 热技术是极其必要的。 液态金属散热技术，是世界首创的高新技术新型产业，具有应用范围广，发展前景看好的优势。 本项目技术可同时开发应用于各类计算机或其他高功率发热电子元器件的散热器。如：高功率密度领域、计算机、高能仪器设备、服务器、 明灯、激光器、激光武器、通讯基站、通讯机房、信号转发站等。 本项目的实施将为发展超高功率密度芯片冷却技术开辟一条全新途径，在广泛的民用、工业及军事领域尤其是涉及先进热量传输系统、克服散热瓶颈及热控技术和节能方面具有重大意义。 该项目的实施 符合国家调整产业结构、转变经济发展方式 的战略要求。 可为全国范围内的计算机及高密度功率发热领域解决热障问题，提高我国计算机及高密度功率领域设备的使用效率及性能，因此液态金属散热技术具有极大的社会经济意义 。 目 目前的进展情况 本项目已在太原市发改委立项并 批复 ，同时通过了太原市环保局的环评。本公司 与中科院理化所签订了国内独家“液态金属”专利技术转让合同，是山西省太原市与中关村进行科技产业对接引进的项目。 根据项目进展的需要，我公司与中科院理化所联合在北京中观村成立了项目研发中心（ 460 ）， 就产品的后续多领域应用及产业化开展产学研合作。现有人员 40 人，其中从事 研发人员 20 人，均为本科以上学历。现已投入研发经费和其他费用 1300 余万元。 4 本项目目前已 成功研制出适合多种用途的液态金属配方 及实用化的样机。见下图 1、图 2： 散热翅片 导管 电磁泵 液态金属 图 1演示样机 图 2是实有用化样机 5 3 项目计划目标 体目标 项目总投资 12000 万元。起止时间为 中：土地费（ 70 亩） 1400 万元，厂房、生产线及研发大楼 4500 万元，设备购置（包括检测设备） 2000 万元，专利及研发费 2000 万元，流动资金 1600 万元，其他 500 万元。 2012 年 试生产 2 万套液态金属散热器； 2013 年实现年产 10 万套生产线 ； 2014 年实现年产 20 万套生产线 。 投产后计划定员为 120 人。其中管理人员 10 人，技术研发人员30 人，一线工人 80 人。可新增就业人数 120 人。 济目标 在投资 元人民币规模下 ,达产后可逐步实现产值 元、2 亿元、 4 亿元；实现 利税 1200 万元、 8000 万元、 18000 万元。具体年度经济效益如下表 1： 表 1 公司销售收入及利税预测表 序号 项 目 2012 年 2013 年 2014 年 1 液态金属芯片散热器（万套） 2 10 20 2 平均销售单价（元 /套） 2000 2000 2000 3 销售收入、产值（万元） 4000 20000 40000 4 单机成本（元 /套） 1400 1200 1100 5 总成本（万元） 2800 12000 22000 6 销项税金（万元）（ 17%） 680 3400 6800 7 利润总额（万元） 520 4600 11200 8 所得税（利润的 20%） 104 920 2240 9 净利润 416 3680 8960 10 税金总额 784 4320 9040 11 利税总额 1200 8000 18000 6 本项目技术具有十分明确的产业化前景， 必将为我市带来巨大的经济效益和社会效益。 预计仅在国内就 有 超过 100 亿元的 市场， 全球市场的经济效益更是不可估量。 术指标 液态金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率 (如镓导热率约为水的 60 倍，高出空气 1000 多倍 )，且具有流动性，因而具有快速高效的热量输运能力， 散热器散热功率密度 100W/100W 发热功率液态金属散热器用于电磁泵及风扇的耗电量 2000（始终单相，稳定可靠，不需补充工质） 18 发需定期补充工质） 工质驱 动方式 机械泵（耗能，噪音大，易坏损，可靠性差） 电磁泵（节能，无运动部件，无噪音，不易坏损，可靠性优） 工质泄 漏风险 较大 无 热流密度 80W/以满足高热流密度散热需求） 100W/1000W/以很好的满足各种高热 流密度散热需求） 价 格 市场售价 800 3000元 与水冷相当 目技术的来源及合作单位情况 项目技术的来源于中国科学院理化技术研究所。 中国科学院理化技术研究所组建于 1999 年 6 月，是以原中国科学院感光化学研究所、低温技术实验中心为主体，联合北京人工晶体研究发展中心和化学研究所的相关部分整合而成。全所现有专业技术人员 321 人，其中有中国科学院院士 4 人（其中 1 人同时为第三世界科学院院士），中国工程院院士 2 人，研究员 68 人，副高级专业技术人员 93 人。理化技术研究所是有机化学、 无机化学、物理化学、凝聚态物理、制冷及低温工程专业的博士和硕士学位及应用化学硕士学位授权点，并设有化学、动力工程、工程热物理及物理学博士后流动站。现有在学博士生和硕士生 400 余人。 理化技术研究所是以物理、化学和工程技术为学科背景，以技术创新与发展为主的研究机构。总体目标是根据国家战略需求和国际 19 科技发展前沿，开展前瞻性应用基础研究、战略高技术研究和成果转移转化研究；突出技术创新的战略性、关键性和集成性，在努力承担国家重大任务的同时，加强与国内外同行及行业、地方、企业的合作，探索促进科技成果转化的新模 式和新思路；形成较强的科技综合实力、集成创新能力和可持续发展能力，把理化技术研究所建设成为在国际上有重要影响的高水平的研究机构。重点研究领域为光功能材料与器件、低温工程学新技术、绿色化学合成新技术、能源材料与新技术。全所下设若干重点实验室（工程中心）、研究中心和研究组。 中国感光学会、中国化学会光化学委员会、中国制冷学会低温专业委员会和中国物理学会低温物理专业委员会等挂靠在理化所。负责编辑出版的刊物有影像科学与光化学。 在科研合作方面，课题组多次与国内兄弟院校联合开展研究工作，并与国际科技组织进行了多 学科、多领域课题的科研合作研究。共获国家奖 1 项，省部级奖 1 项，其他奖 6 项；出版中英文专著 25部 /篇；申请专利 148 项，其中授权专利 55 项；发表英文论文 177 篇，中文论文 206 篇；发表国际会议论文 109 篇，国内会议论文 81 篇，技术力量相当雄厚。 2 项目的成熟性和可靠性 中国科学院理化技术研究所项目组已先期对各类最基本的液态金属散热器原理性器件进行了充分探索，取得了许多令人鼓舞的结果。本项目拟推向产业化的高功率密度器件散热技术，已通过蠕动泵及电磁驱动等方式进行了充分测试，结果表明，由于液态金属具有远 20 高于普通流 体的热导率，其冷却效果明显优于已有流体冷却技术，且利于整个散热系统的微型化，这一前期工作为发展高散热密度冷却技术开辟了新途径。到目前为止，本实验室已实现了多类电磁泵驱动的液态金属散热器，进一步揭示出该方法的优越性，比如，流体金属的运行甚至在 更小电流下即可驱动，这充分表明该散热器具有十分突出的低功耗性。 这些前期进展为本项目研究和产业化打下了良好基础。 总之，液体金属散热器的冷却性能十分快速显著。形象的说，这是一种纯金属型但又借助于液体流动的高效微型散热器，这些前期进展为本项目研究的展开打下了良好基础 ；此外，国际机构在落后于本实验室的情形下，也相继研制出用于计算机显卡乃至台式机、笔记本等的液态金属散热器，特别是知名显卡生产厂商 司在中国台北举办的 005 电子产品展会上展示了一款采用液态金属散热的图像显示卡，引起轰动，被认为是“超乎想象力”的技术，充分证实了此项技术的现实可行性和实用价值。但由于并不真正拥有液态金属散热技术知识产权 (底层技术属于本实验室 )，该公司原本宣布的于 2005 年秋季上市的液态金属散热器未能按预期举行。 以上国内外进展态势清楚表明，液态金属散热技术 已趋于实用产业化的成熟性和可靠性，特别是，由于我国拥有此领域内的首项核心技术知识产权，本项目的实施无疑将更全面确立我国在该技术推广应用上的领先性。 21 四 1 产业化前景 本项目基于实验室在国内外首次提出的液体金属芯片散热技术，系统研究以室温下呈液体状态的低熔点金属及其合金作为冷却流动工质的超高功率芯片散热技术，探索筛选出可广泛用于实际散热器且热工性能极佳的低熔点金属及其合金组份，并通过大量实验研究和技术探索，总结出低熔点液体金属流体的流动和强化换热规律，在此基础上设计、优化及加工高 效的液体金属芯片散热器工业化样机，直至将其推向大规模实际应用。本项目的实施将为发展超高功率密度芯片冷却技术开辟一条全新途径，在广泛的民用、工业及军事领域尤其是涉及先进热量传输系统、克服散热瓶颈及热控技术方面具有重大意义。值得指出的是，由于这一先进技术的前瞻性和重大实用价值，美国、德国及丹麦等多个国家已专门成立公司来推广该技术，其方案与本实验室的技术途径完全一致，但在技术所有权的归属上则落后于我国。中科院理化技术研究所早于这些机构申请了该项专利，拥有了自主的知识产权，使国内巨大的市场得到了充分的保证，国外很难 再将液态金属制成的散热器销售到中国，而另一方面，中国则可将此类芯片散热器出口到美国等先进国家的国际市场。 这种情况表明，本项目技术具有十分明确的产业化前景，以及十分重要的经济及社会效益。预计仅在国内就可取得超过 100 亿元的经济效益，全球市场的经济效益更是不可估量。 22 2 市场分析 本项目技术可同时开发应用于各类计算机或其他高功率发热电子元器件的散热器。如：高功率密度领域、高能仪器设备、服务器、明灯、激光器、激光武器、通讯基站、通讯机房、信号转发站、投影仪等，具有广泛的市场前景。下面就通讯基站举例说明： 据估算， 2009 年中国仅 站耗电量就接近 32 亿千瓦时，基站电费近 20 亿元，这还不包括空调、变电、传输等能耗。电能在通信企业能源消耗中占有绝对比重，节能在电信行业势在必行。在国内电信市场日益饱和、竞争压力加剧的背景下，降低能耗节约开支乃摆脱困境、提升利润的有效途径。 通常来讲，移动通信基站由 备、天馈系统、传输设备、整流器、蓄电池组、交流配电屏、变压器、空调、环境监控等组成。根据消耗主体的不同，移动通信基站能耗主要包括： 1 通信设备用电：通信设备用电主要取决于在网设备 数量及其功耗，同时也受限于网络负荷水平。统计数据发现，通信设备用电占机房总用电量的 30%左右。 2 机房环境用电：基站机房对设备运行环境的温度、湿度、洁净度有一定要求。为保障通信设备的正常运行和使用寿命，必须采取必要的温控措施来平抑因用电设备散热、室外热传导以及维护人员热辐射而引起的机房温度升高。空调是基站机房的主要耗电设备，能耗比重约占 40% 50%。 因此，基站节能应重点放在通信设备、机房环境两大方向上。液 23 态金属散热技术正好可以和上述两大节能方向结合，为通信设备提供高效散热以 降低其能耗的同时，还可有效减少基站空调的负荷。根据测算，通讯基站使用本项目产品后，可直接节电 30% 50%，如在全国将充分显现出降低能耗的重大作用。 因此，本项目技术具有十分明确的产业化前景，以及十分重要的经济及社会效益，预计仅在国内就可取得超过 100 亿元的经济效益，全球市场的经济效益更是不可估量。 五 1 项目工艺设计方案 板型散热器工艺设计方案 实现该类器件的方案可有多种，比如附图 3 给出的是我们前期提出的一种平板型液体金属散热器的生产工艺方案，它包括如下部件，详见下图 3。 24 图 3 平板型 液体金属散热器 设计 与待冷却器件表面相接触的散热片，用于将液体金属所带来的热量散走的肋片散热器，连通管路以及设置在连接管路上的用于驱动液体金属流动的微泵；液体金属或其合金的流体介质封装密闭在散热片槽道内。散热器管道及基底可由高导热金属如铝、铜或银等材料做成，而散热片内的流道形式可多样化，原则上现行所有的流通管道形式均可采用，因而器件的加工和组装在工艺上不存在困难。 而仅利用器件运行中所释放热量来驱动的液体金属散热器，由于无任何运动部件及风扇，这种装置 彻底实现了无噪音运行。温差驱动方法之所以有效，得益于液态金属冷却剂自身拥有的两个独特优点：一是热导率高，为传统水类换热介质的数十倍，因而传热能力优异；二是作为导电性流体，易于采用无运动部件的磁力泵驱动。以往，这种泵需要在大电流条件下工作，才能产生足以驱动液态金属循环的洛仑兹力，但如此一来会引起电路功耗及产热较高，从而严重削弱技术的实用性。研究小组通过探索，成功地将驱动电流降至最低 200 毫安以下，这一进展使得利用温差发电驱动流体散热成为可能。 通常，工作中的光电器件表面具有较高温度，其与环境之间会形成自然的温 差，因而利用这种温差，可借助半导体发电片获得电能后，转而供应磁力泵并驱动循环通道内的金属冷却剂流动，从而完成热量的输运。由此发展的散热器可实现微型化及低功耗。目前不使用任何风扇及外加电流，已能实现 50 瓦的散热量，已能满足普通器件的冷却降温需求，但要实现对更高功率密度器件散热，则还需辅以一定的外加电流。随着半导体技术的发展，其热电转换效率越来越高，因而 25 由此发展的温差驱动散热技术预计会在各类光电设备如笔记本电脑、台式机、投影仪等发挥作用。 沉型散热器工艺设计方案 考虑到通讯基站和通讯机房设备的特殊性，我 们设计了热沉式散热装置。材料选用纯铜。热沉的外部尺寸是 4004008其内部为一内径为 5 M 型流道，如下图 4 所示。液态金属工质从入口进入热沉，流经此 M 型流道，将所产生的热量从热沉的出口处带走，发热源位于基底表面。 图 4 热沉设计几何模型 热器生产工艺流程图 26 2 装备选择方案及装备技术水平 备选择 装备选择方案依据用电量、体积、重量分为两类。 a）体积大、重量重、使用动力电的设备配置在生产线，主要用于生产、测试、验证。此 类设备主要保证装配加工精度、外观精致、液态金属防氧化等指标，另外还要保证批量生产效率。 b）体积小、重量轻、实用单相电并功率小的设备配置在实验室。此类设备主要保证结构、仪表、电气设计研发的适用性，另外保证阶段测试的完整性。 备技术水平 机械加工设备为保证加工精度、外观精致，在车、铣、磨、钻、焊工序全部采用国产技术水平领先的精密数控设备；为保证液态金属防氧化性，液态金属熔合炉采用国产技术水平领先的真空设备，同时在液态金属灌注前用国产技术水平领先高抽真空设备对已装配好的结构体进行抽真空作业，最后 用高精密检漏仪进行捡漏测试。总之为保证液态金属散热器系列化产品的质量和产业化的推广，并在降低投入成本的前提下，主要生产、测设、检验、验证设备均采用国内技术 27 水平领先的设备。 备型号及需求 实验室装备及需求见下表 4。 表 4 实验室装备明细表 序号 名称 规格 型号 单位 数量 备注 1 式电脑 台 30 2 记本电脑 台 10 3 印 /复印 /扫描机 台 2 4 示波器 台 4 5 信号发生器 台 3 6 宽带信号发生器 台 1 7 交流毫伏表 台 10 8 字电桥 台 1 9 台式万用表 台 3 10 直流稳压电源 台 5 11 终端设备嵌入式软件仿真 /编程器 套 3 生产线装备及需求见下表 5。 表 5 生产线工艺设备明细表 28 序号 名称 规格 型号 单位 数量 备注 1 精密数控车床 套 10 2 精密数控铣床 套 10 3 精密数控磨床 套 10 4 精密数控焊机 套 5 5 激光切割机 套 1 6 数控钻床 套 10 7 液态金属熔合炉 套 4 8 超声波清洗机 台 4 9 抽真空设备 台 4 10 检漏仪 台 4 11 机加检测设备 套 5 12 抗静电工作台 台 30 13 激光焊接与打标设备 台 2 14 扫描电子显微镜 2 15 电脑微机 用台式电脑 台 40 16 弯管机 套 5 17 消防车 15T 辆 1 18 消防水泵 Q=200H=60m 台 1 19 消防泵 Q=60H=80m 台 3 20 排污 泵 台 5 29 21 交通工具 辆 4 六 1 项目实施方案 验室发展方向 实验室由山西福泰隆科技有限公司建立，中国科学院理化技术研究所为协作单位，双方合作以液态金属散热器的应用开发为主要发展方向。 验室主要目标 实验室主要目标是高功率密度领域、计算机、高能仪器设备、服务器、 明灯、激光器、激光武器、通讯基站、通讯机房、信号转发站等领域液态金属散热技术的推广其应用，并形成产业化，为民用、工业及军事领域尤其是涉及先进热量传输系统、克服散热瓶颈及热控技术和节能方 面作出贡献 验室阶段目标 第一期项目拟投资 8000 万元，其中：实验室租金及实验室设备 500 万元；生产中心 土地费 1400 万元（ 70 亩），厂房、生产线 4000 万元，设备购置（包括检测设备） 1500 万元，专利及研发费 600 万元， 形成液态金属生产线及液态金属散热器装配线， 30 2012 年试生产 2 万套液态金属散热器；第二期 2013 年投资 4000万元，其中生产投资 1500 万元，研发经费 1000 万元，市场开拓1500 万元。 2013 年形成年产 10 万套液态金属散热器规模； 2014年实现年产 20 万套生产线规模。 2 项目实施计划进 度安排 目建设期 项目建设期： 2012 年 1 月 2012 年 12 月。 目实施进度计划 企业已投资 1300 万与中科院 理化所 进行液态金属芯片散热器 的研发合作和产业化的前期准备工作，并于 2011 年 10 月在北京组建了实验室研发中心。目前 公司正按照标准的产品生产工艺及流程 积极筹备兴建生产中心（生产线） ，积极准备生产所需的各种原材料 ，具体进度详见表 6。 表 6项目工程进度计划表 序号 项 目 2012 年 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 可行性研究 2 工程地质初勘 3 初步设计 31 4 提出设备 采购清单 5 工程地质详勘 6 施工图设计 7 施工准备 场地平整 8 土建施工 9 设备安装 10 试运营及投产 七 1 项目投资估算 项目总投资 12000 万元，其中建设及生产投 资 元，流动资金 元，详见表 7、表 8。 表 7 投资估算表 单位：万元 序号 工程或费用名称 建筑工程 设备购置 安装费用 其它费用 总 价 一 建设投资 1 第一部分 工程费用 图 料库 产车间 32 品库 验中心 修间和库房 气工程 排水工程 暖通工程 合办公楼 研发楼 工生活区 168 备品备件购置费 计 第二部分费用 察设计费 研及环评费 设单位临时设施费 程监理费 市基础设施配套费 合试运转费 产准备费 地费 小计 第 一、二部分费用合计 3 基本预备费 4 建设期贷款利息 建设投资 铺底流动资金 总投资 表 8 主要