芯片散热技术研究开发实验室建设可行性研究报告20111125

1编号芯片散热技术研究开发实验室建设可行性研究报告项目名称20万套/年液态金属芯片散热器产业化所属领域新材料申请单位山西福泰隆科技有限公司协作单位中国科学院理化技术研究所起止时间2011年11月2014年12月填报时间2011年11月2目录一总论11项目概述111项目名称112建设性质113项目建设单位114法人代表115项目建设地址116建设目标117主要建设内容2171研发团队建设2172实验室建设22项目建设的社会经济意义及目前的进展情况221项目建设的必要性及社会经济意义222项目目前的进展情况33项目计划目标531总体目标532经济目标533技术指标634质量指标635人才队伍建设目标6二申报企业情况731申报企业基本情况72研究室人员及开发能力721法人代表情况722项目负责人情况823研究室人员基本情况924新产品开发能力情况12三项目的技术可行性和成熟性分析131项目的可行性分析1311项目建设的依据1312项目建设的技术可行性分析15121技术的创新点15122技术的先进性15123与国内、外同类产品比较1613项目技术的来源及合作单位情况192项目的成熟性和可靠性21四项目的产业化前景及市场分析221产业化前景222市场分析23五项目主要研究方案及工艺路线241项目工艺设计方案2411平板型散热器工艺设计方案2412热沉型散热器工艺设计方案26413散热器生产工艺流程图272装备选择方案及装备技术水平2721装备选择2722装备技术水平2823装备型号及需求28六项目实施方案及分阶段计划进度安排301项目实施方案3011实验室发展方向3012实验室主要目标3013实验室阶段目标312项目实施计划进度安排3121项目建设期3122项目实施进度计划31七投资预算与资金筹措321项目投资估算322资金来源353资金使用计划35八结论351一总论1项目概述11项目名称芯片散热技术研究开发实验室建设12建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13项目建设单位建设单位山西福泰隆科技有限公司项目负责人刘静技术支撑单位中国科学院理化技术研究所发明专利人刘静14法人代表张发旺15项目建设地址北京市海淀区花园路庚坊国际发展中心16建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，2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。17主要建设内容171研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。172实验室建设拟建项目占地面积1000M2，总建（构）筑物面积约13000M2，总投资12亿元，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21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3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、LED照明灯、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。22项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4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。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5图2是实有用化样机3项目计划目标31总体目标项目总投资12000万元。起止时间为20121201412，其中土地费（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。32经济目标在投资12亿元人民币规模下,达产后可逐步实现产值04亿元、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）210202平均销售单价（元/套）2000200020003销售收入、产值（万元）400020000400004单机成本（元/套）14001200110065总成本（万元）280012000220006销项税金（万元）（17）680340068007利润总额（万元）5204600112008所得税（利润的20）10492022409净利润4163680896010税金总额7844320904011利税总额1200800018000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。33技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/CM2，每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）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/CM2（难以满足高热流100W/CM21000W/CM2（可以很好的20密度散热需求）满足各种高热流密度散热需求）价格市场售价8003000元与水冷相当13项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21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05A或更小电流下即可驱动，这充分表明该22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SAPPHIRE公司在中国台北举办的COMPUTEX2005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。四项目的产业化前景及市场分析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23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。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、LED照明灯、激光器、激光武器、通讯基站、通讯机房、信号转发24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GSM基站耗电量就接近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。根据消耗主体的不同，移动通信基站能耗主要包括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1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。机房环境用电基站机房对设备运行环境的温度、湿度、洁净2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4050。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3050，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25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。五项目主要研究方案及工艺路线1项目工艺设计方案11平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。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26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。2712热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400MM400MM8MM，在其内部为一内径为5MM的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13散热器生产工艺流程图282装备选择方案及装备技术水平21装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。22装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水平领先的设备。2923装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1DELL台式电脑台302LENOVO笔记本电脑台103A3打印/复印/扫描机台24示波器台45信号发生器台36宽带信号发生器台17交流毫伏表台108LCR数字电桥台19台式万用表台310直流稳压电源台511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序号名称规格型号单位数量备注301精密数控车床套102精密数控铣床套103精密数控磨床套104精密数控焊机套55激光切割机套16数控钻床套107液态金属熔合炉套48超声波清洗机台49抽真空设备台410检漏仪台411机加检测设备套512抗静电工作台台3013激光焊接与打标设备台214扫描电子显微镜S3400N台215电脑微机LENOVO商用台式电脑台4016弯管机套517消防车15T辆118消防水泵Q200M3HH60M3HH60M台119消防泵Q60M3HH80M台320排污泵台521交通工具辆431六项目实施方案及分阶段计划进度安排1项目实施方案11实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。12实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、LED照明灯、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13实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，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32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21项目建设期项目建设期2012年1月2012年12月。22项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2012年序号项目1234567891011121可行性研究2工程地质初勘3初步设计4提出设备采购清单335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试运营及投产七投资预算与资金筹措1项目投资估算项目总投资12000万元，其中建设及生产投资1047755万元，流动资金152245万元，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11总图1330182519216721798812原料库189798876262048229790613生产车间657721397581258421811414成品库2721654838189423459415检验中心18372220509252741408216机修间和库房27588455272259143570717电气工程3640026185026676063418给排水工程16772241402861284952519暖通工程18065508342728774158110综合办公楼945001337348041113504111研发楼358405887339545122112职工生活区168921239229932113备品备件购置费1883510473084232387小计40843732690185560327909612第二部分费用21勘察设计费151651516522可研及环评费8000800023建设单位临时设施费1565