芯片散热技术研究开发实验室项目可行性研究报告

2 2 2 2 2 3 5 5 5 6 6 6 7 7 7 7 9 4 1技术支撑单位：中国科学院理化技术研究所以《液态金属芯片散热器技术》为基础，依据市场的需要，2拟组建包括散热器结构工程师、电气工程师、仪表工程师、材2.1项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3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5液态金属芯片散热器（万套）平均销售单价（元/套）销售收入、产值（万元）总成本（万元）销项税金（万元17%）利润总额（万元）所得税（利润的20%）净利润税金总额40000220002400020000460043201234567896大的经济效益和社会效益。预计仅在国内就有超3.5人才队伍建设目标7税务登记证等相关证件。是主要经营电子器材、计算机芯片散热的研月出生，负责项目的全面组织实施。多年来创建了好几个公司并从事技术发明人。负责将液态金属散热技术等多项先进科技成果进行转8种国际学术期刊论文审稿人，应邀担任3个英文期刊Editorial目主持人先后获得中国青年科技奖，茅以升科学技术奖—北京青年科技奖，中国国际工业博览会创新奖、中国电子学会电子信息科学技术二等奖以及国家自然基金委优秀进展项目奖等。他长期致力于医学微系统技术与生物传热传质学方面的研究工作，并取得系列在国际上有有关前沿交叉领域的发展起到重要作用，相应贡献得到同行认同。此外，他还应邀撰写中英文著作中10余个章节，在国内外刊物发表论9“液态金属芯片散热器”项目的研发单位是中国科学院理化技术研究所，由本实验室进行科技成果的产业转化。本实验室拟有员工40人，都是大专以上学历，其中从事研发人员20多人，另外实验室用进行产品技术研究和产品产业化开发。现学院力学研究所流体力学专业博士学位。邓中山博士曾先后荣获全国优秀博士论文提名、第22届国际制冷大会最佳墙报论文奖、中国科学院优秀博士论文奖、中国科学院院长奖优秀奖、北京市青年优秀科技论文二等奖，并入选了2006年度北京市科技新星计划。他主要从事热物理学科与生物医学工程学方面的交叉课题研究，在肿瘤冷、热疗及生物传热等生物医学工程问题的研究上取得了一系列创新性成者科研启动专项资金资助项目，一项中国科学院院长奖获得者科研启项目的联系人，负责与各方的组织协调，组织项目组起草文件及拟定本项目研发成果的产品化设计和实现结构、功能的优化。多年来从事目的硬件开发和产品结构设计及优化。多年来从事硬件研发工作，有实际的研发经验见下表2。张发旺邓中山杨建民王俊发张伏层支昆明生导师研究员工程师工程师工程师工程师工程师工程师工程师低温信息测控技术与仪器及自动化结构设计与制造机电一体化项目负责人材料设计技术协调热设计联系人软硬件结构设计工艺设计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实验室以中国科学院理化技术研究所为技术支撑，配备了精通流体力学的散热器结构设计、电磁泵电气设计、智能仪表设计、绝缘/导热材料设计、热设计等专业有经验的研发人员，并配置了各种专用及通用测试、检验设备，现已有能力完成各种应用需求的液态金属散热器的研发和产品化。并且随着更多有经验的专业精英的加盟，将更加能够跟随市场迅速发展的需求研发出适应各种应用场合的系列化实验室实施科学化管理体系，首先由产品经理反馈市场需求信息并将其转化为技术需求，再由项目经理组织相关人员进行评审，确定设计方案并经审核、评审后再进行技术设计、原理设计，整个设计过程严格执行阶段测试、评审和最终测试、验证。产品研发过程中以市场需求为目标，以质量控制未主线。保证设计输出的批量生产产品零技术更改，为生产、销售、服务提供可靠的产品化技术支撑。我们将始终坚持“创业、创新，敬业、高效”的团队精神，携手合作伙伴，三．项目的技术可行性和成熟性分析总公司已与中科院理化所签订了专利技术转让合作合同，并以此作为项目建设的依据。此专利技术转让合作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。我公司与中科院理化所在中观村共同成立了合作研发机构，依托中科院理化研究所的技术人才资源和中关村的人才技术优势，就产品的后续多领域应用开发及产业化开展方式属于热管理领域内的原创性技术，是建立高效光电器件冷却方法相关成果的领先性已经国家授权的专业查新机构——中国科学为冷却流动工质的芯片散热技术，在国内同类研究中未见相同文献（含专利）报道，在国外研究中，与该技术相规所用的水、有机溶液等，而是在室温附近即可熔化的低熔点金属如镓或更低熔点的合金如镓铟等，由于液体金属具有远高于水、空气及态金属的热传输能力，最大限度地解决了高密度能流的散热难题。特别是，采用液态金属后，散热器尺寸可大幅减小，且易于通过功耗较低的电磁泵驱动，由此可实现整体集成化的微型散热器。此外，液态金属散热技术还具有性能稳定可靠、无运动部件、噪音低、节能、可项目前期取得的典型研究进展包括：筛选出符合光电器件散热工况要求的系列低熔点金属合金工质，发明了自然界导热性最高的液体材料—纳米金属流体，测得一批重要的热物性数据；提出了诸多崭新微流道型液态金属散热器，以及“液态金属+热管”复合型散热器、液态金属脉冲热管等，成功研制出系列适合于个人计算机、高性能计液体金属冷却技术近年来在国际上引起强烈反响，已成为先进散作，相继得到多个国际著名科学媒体及产业界新闻杂志如New实际上，围绕各类电子元器件中相当高的热源密度，寻找具有高效热输运效能的散热方法多年来一直是学术界及工业界竞相追求的（NASA）等项目就投入了巨资来支持规公司的技术来自美国NanocoolerofPhysicsD：AppliedPhysics）所研制的室温金属流体散热器的实验系统图为封面，报道了直接利用液态金属散热在技术理念上显著区别于传统的风冷、水冷及热管等散热技术，是近年来计算机热管理领域取得的突破性进展，由于其前，国际上该技术已促成了多个由巨额风险基金投资的新公司的成为CopenhagenStockExchange上市公司）也从液态金属散热着手获得了大量风险投资，并于2008年12月推出了已市场化的C有液态金属散热领域内首项底层专利以及更多的扩展技术，因而为今件，散热技术主要包括：风冷散热技术，以水冷为代表的液冷技术，热管散热技术及其各种变型。即通过扩展肋片，改进气流分布，增大风压，将冷却空气压送至散热器件表面将该处热量散走，此种方式的冷却效率与风扇速度成正比，因而会产生明显噪音；风冷散热器冷却随着光电器件集成度的飞速增长，要求的换热强用液冷或热管散热方式的产品相继出现在市场上。液体因单位体积热容远大于气体，作为循环工质能够提供更高的冷却功率，是一种较佳选择。然而，这类液体冷却虽然效率较高，但在运行中由于工质蒸发或泄露等会导致器件老化、腐蚀，对液体及流动管道的要求较高，可靠性尚有待提高，据报道，有些采用水冷的器件易于烧毁，原因就在于此类系统尚不可靠，一旦由于某些故障导致水流停止，则失去冷却热管是一种被动散热，利用相变传热的冷却方式，可以达到较之工质封装、维护及可靠性等仍有待于提高，使用寿命也较短，这使其应用受到一定限制。对于热管而言，尤为不利的因素在于，当热流密），而液体金属渗漏率为零，且具有远高于水、空气及许多非金属介下表给出了液态金属散热技术与水冷技术的各项具体性能对比项目无1.3项目技术的来源及合作单位情况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。全所现有专业技三世界科学院院士），中国工程院院士2人，研究员68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4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通常来讲，移动通信基站由BTS设备、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：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2.3装备型号及需求实验室装备及需求见下表4。单序单位2431135套套序号51444452251134六.项目实施方案及分阶段计划进度安排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47单位：万元建筑工程设备购置安装费用其它费用总价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建设投资第一部分工程费用总图133.01825.1921.672179.881.3生产车间1.5检验中心1.6机修间和库房1.8给排水工程1.10综合办公楼1.12职工生活区1.13备品备件购置费2