先进液态金属芯片散热技术及其器件的产业化

先进液态金属芯片散热技术及其器件的产业化


                     -- 2007京杭（国际）高科技产业化合作交流会

一、项目背景：

微/纳电子芯片的应用遍及日常生活、生产乃至国家安全的各个层面，在现代文明中扮演着极其重要的角色。近年来，各类电子器件尤其是计算机芯片一直是朝着提高集成度、减小芯片尺寸及增加时钟频率的趋势发展。根据著名的“摩尔定律”推算：计算机芯片上的晶体管每18个月翻一番，那么到2010年，芯片上晶体管的数量将超过10亿。由此带来的问题是，芯片耗能和散热问题也凸现出来。与晶体管集成度迅速提高趋势相伴随，芯片功率与功率密度也急剧增加：与摩尔定律类似，CPU芯片的功率每36个月即翻一番。比如，现有AMD桌面Athlon 1200MHz产生的热量高达66瓦，即使是英特尔(Intel) Mobile P4-M也有 30多瓦，一颗Pentium4@2 GHz芯片的消耗功率更高达75瓦。由此带来的过高温度将降低芯片的工作稳定性，增加出错率，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。Intel公司负责芯片内部设计的首席技术官帕特?盖尔欣格指出：“目前，我们在设计和制造芯片时仅受到生产成本的限制。但放眼看去，耗能和散热将成为一个根本性的限制，我们必须在芯片总体设计中认真考虑这两个问题。”“如果芯片耗能和散热问题得不到解决，到芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得像’核反应堆’， 2010年时会达到火箭发射时高温气体喷嘴的水平，而到2015年就会像太阳的表面一样热。”以上态势表明，目前对高性能冷却技术的需求已提到了前所未有的高度。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目标。美国多个国立部门如国防部远景规划项目署DAPAR、海军研究办公室（ONR）、能源部（DOE）以及自然基金会（NSF），美国宇航局（NASA）等项目就投入了巨资来支持规模相当庞大的先进芯片热管理技术研究。
由于芯片应用的广泛性，相应冷却技术的市场需求十分巨大。仅以计算机CPU所需的散热组件，如风扇及鳍片等产品为例，其制造业的世界市场，据估计每年就超过100亿。而随着功耗的不断增加，芯片冷却解决方案的价格也随之剧增；对应地，芯片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、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北京市的支柱产业之一，如果芯片散热问题不能得到很好的解决，必将对相关产业带来极大的限制。

二、项目简介：

长期以来，由于对超高强度热流排放的需求，人们对高效冷却技术的研究一直投入了大量的人力物力加以解决，但常规途径的散热能力已趋近极限。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Nanocoolers公司也在明显晚于我们的时间内申请了专利，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处于落后。这种情况表明，由于我国领先拥有该技术的底层知识产权，国外很难再将基于液态金属制成的芯片散热器销售到中国，而另一方面，中国则可将此类芯片出口到美国等国际市场。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1000亿元的经济效益，全球市场的经济效益更是不可估量。

三、项目创新性及产业竞争优势：

以液体金属作为冷却流体同时结合肋片散热和对流冷却散热的方式属于热管理领域内的原创性技术，是建立高效芯片冷却方法的崭新的切入点。我们于2002年提出并将液态金属芯片散热核心技术申请专利保护，拥有首项此方面的底层自主知识产权。
本项目集中研究的液态金属芯片散热技术，其关键之处在于首次在高功率芯片散热领域中引入了概念崭新的技术理念，在这种新一代的散热器件中，流道内流动的冷却工质并非常规所用的水或其他有机混合流体，而是为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、空气或其他非金属的热导率和热扩散率，且具有流动性，因而易于实现快速而高效的输运热量，这相对于以往使用气体或非金属液体作流动工质的作法是一种观念性的突破;目前该技术已在国内外引起重要反响(国外机构在落后于本研究组情况下完成的工作为国际著名技术媒体MIT Technology Review、New Scientist等报道，并获得上千万美元的资金投入)。在上述激烈的竞争中，由于本实验室所发明的液态金属芯片散热技术专利为国内外首项底层专利，因而为我国成功地拥有该技术的主导权奠定了关键基础。
这类低熔点液体金属以其远优于传统流动工质(如水、有机溶液或更多功能流体)的热传输能力，可望最大限度地解决高热流密度的散热难题。特别是，由于液体金属的引入，散热器可作得很小，功耗低，易于实现无运动部件驱动，散热器噪音低或可完全消除。随着当前高功率芯片发热密度的持续增大，传统散热技术趋近极限时，本项目技术越能发挥关键作用。此类散热器正成为先进热管理技术领域内一个极为重要的发展方向，相关技术易于输出到海外市场，而成为超高功率芯片散热器中的一个亮点。

四、项目成熟性：

项目组已先期对各类最基本的液态金属芯片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，流体金属的运行甚至在0.5A或更小电流下即可驱动，这充分表面该散热器具有十分突出的低功耗性。当然，由于前期尚未对器件进行优化，液态金属散热技术的性能还远未发挥到最好，这恰恰为后续探索提供了相当大的空间。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Sapphire公司去年即在中国台北举办的Computex 2005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；据悉，Sapphire公司的技术正来自美国Nanocooler公司，但由于并不真正拥有液态金属芯片散热技术知识产权(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化。本项目的开展不具有任何风险性。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。

五、项目目标：

(1) 发展出一大类崭新的以低熔点金属及其合金流体作为冷却流动工质的先进芯片散热器，为使之广泛用于计算机及热流密度日益高涨的大量军民用电子设备的超高功率密度热管理奠定基础，引导和推动液体金属芯片散热这一先进学科方向的进展，确保我国在后续研究和技术推广应用中处于国际领先地位。
(2) 结合理论和实验工作，总结出低熔点液态金属的强化换热规律，并据此设计、优化冷却系统，研制出高效的以液态金属为冷却工质的形式多样的先进散热器工业化样机，制定可供产业化的成熟技术和器件设计工艺路线，将本项技术迅速推向大规模产业化。

六、项目负责人简况：

刘静，男，1969年4月生。博士，研究员，博士生导师；2003年国家杰出青年科学基金获得者。合肥工业大学、上海理工大学兼职教授，曾为中国制冷学会理事兼第六专业副主任委员。分别于1992年7月、1996年2月，获得清华大学燃汽轮机专业工学士、物理学专业理学士学位及工程热物理专业博士学位，随即留校任教。此后曾为美国普渡大学博士后及麻省理工学院高级访问学者。1999年6月应中国科学院百人计划之聘，任理化技术研究所研究员至今。刘静博士出版有3本有影响的前沿性学术著作(其中之一已印刷3次)，在国内外学术刊物发表论文100余篇(其中国际期刊论文50余篇)，申请专利60余项。部分研究发表后曾为美国知名技术媒体专门报道。他曾应中央电视台教育科技频道CCTV-10《百家讲坛》栏目邀请，作“温度与生命”电视科普讲座。他也是国家自然科学基金面上、重点、重大及杰出青年基金等项目参评人，是国家自然科学基金委学科发展战略调研组成员及传热学交叉学科方向撰稿人。曾为中国科学院空间能源部分专题专家组成员并参与项目指南制订。他也是近20个国际学术期刊的论文审稿人。在人才培养方面，刘静博士在理化所指导的3名硕士生获得中国科学院冠名奖学金，3名博士生获得中国科学院院长奖学金优秀奖。
刘静博士当前的工作重点为先进散热技术、微/纳米热学器件与系统、先进高/低温医学仪器等方面的研究与应用。他主持过多项中科院、基金委及企业等部门的科研项目。

自己所在实验室的东西顶一下！
也希望论坛上的兄弟能多多关注利用液态金属对芯片进行散热，从而能加快此项技术的发展。

很先进的技术，对此表示关注，希望能看到更多这方面的消息，资料

你们的电磁泵是那里做的，？？？？？？？？？？？