芯片散热技术研究开发实验室项目可行性研究报告.docx
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芯片散热技术研究开发实验室项目可行性研究报告
编号：
芯片散热技术研究开发实验室建设
可行性研究报告
一.总论
1．项目概述
1.1项目名称
芯片散热技术研究开发实验室建设
1.2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
1.3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：
技术支撑单位：
中国科学院理化技术研究所
发明专利人：
1.4法人代表
1.5项目建设地址
北京市海淀区花园路庚坊国际发展中心
1.6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，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。
1.7主要建设内容
1.7.1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。
1.7.2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1.2亿元，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
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。
2.2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
图2是实有用化样机
3项目计划目标
3.1总体目标
项目总投资12000万元。
起止时间为2012.1—2014.12，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。
3.2经济目标
在投资1.2亿元人民币规模下,达产后可逐步实现产值0.4亿元、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）
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
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。
3.3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<10W。
3.4质量指标
每年至少研发两种新型号液态金属散热器；
每种产品因设计错误原因造成的技术更改为零次/年。
3.5人才队伍建设目标
拟组建40人研发团队
散热器结构工程师：
8人；
电气工程师：
4人；
仪表工程师（嵌入式软件、硬件、电子）：
6人；
材料工程师：
1人；
热设计工程师：
2人；
产品经理：
2人；
项目经理：
2人；
档案工程师：
1人；
管理人员：
若干。
二.申报企业情况
1．申报企业基本情况
山西福泰隆科技有限公司位于古交市金牛西大街信元旺商贸城，注册于2010年6月11日，注册资金为5000万。
取得了营业执照及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究开发及销售的企业。
企业生产位置在古交市科技开发园区。
2研究室人员及开发能力
2.1法人代表情况
张发旺：
（公司董事长、企业法人）男，59岁，本科。
1952年8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企业管理和项目实施。
2.2项目负责人情况
刘静：
男，43岁，1969年4月出生。
中科院研究员、教授、博士生导师（正在申报中科院院士），本项目负责人和本项目的专利技术发明人。
负责将液态金属散热技术等多项先进科技成果进行转化，包括试制、试验，试验模型制作。
刘静于1992年7月、1996年2月获得清华大学工学士、理学士及工学博士学位，随即留校任教，此后曾为美国Purdue大学博士后、麻省理工学院高级访问学者。
1999年7月应中科院百人计划之聘任理化技术研究所研究员，创建低温生物医学实验室；2005年被聘为清华大学双聘教授，并开设出2门新课《高/低温生物医学工程学原理》及《微/纳米生物医学技术与仪器》。
他是国家973计划，国家自然科学基金面上、重点、重大、杰出青年基金等项目参评人，也是30余种国际学术期刊论文审稿人，应邀担任3个英文期刊EditorialAdvisoryBoard或SectionEditor，以及多个国际会议学术委员会成员或分会主席，北京制冷学会理事（低温生物专业）（自2007年12月起）；中国制冷学会理事兼低温生物专业副主任委员（2002-2004）。
刘静研究员是2003年国家杰出青年基金获得者，作为个人或项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影响的成果，提出过多项有影响的原创性方法。
刘静教授出版有8部跨学科前沿著作，均填补国内外相应文献空白，其中之一曾先后被印刷5次（含我国台湾繁体字版）；对推动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文200余篇（部分研究被国际知名科学媒体专文报道，选为封面文章，或于所在期刊选出的最热门论文之一）；申请专利100余项。
所指导学生中有12人次获中科院院长奖或冠名奖，2名博士生获中国科学院优秀博士论文奖并均入选全国优秀博士论文提名。
他本人曾5次荣获中国科学院优秀研究生指导教师奖或优秀教师称号。
2.3研究室人员基本情况
“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，另外实验室还与中科院开展产学研合作，就液态金属芯片散热器后续多领域应用进行产品技术研究和产品产业化开发。
现项目主要参与人员如下：
邓中山：
男,37岁，1974年8月出生，博士。
中国科学院理化技术研究所副研究员。
负责本项目的研究开发及技术协调，中试及测试。
邓中山1998年7月毕业于天津大学热能工程系，获得工学学士学位；2001年6月毕业于中国科学院理化技术研究所，获工学硕士学位，毕业后留中国科学院理化技术研究所工作；2005年1月获中国科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果，已合著出版肿瘤热疗方面学术著作一部，发表英文著作章节两章，并在国内外期刊及会议上发表论文70余篇，其中SCI收录20余篇，EI收录30余篇，申请专利10余项。
已主持一项国家863项目，四项国家自然科学基金面上项目，一项中国科学院优秀博士学位论文获得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动专项资金资助项目，以及一项北京市科技新星项目。
南海：
男，37岁，1974年10月出生。
负责本项目的产业化生产条件准备，组织产品生产、优化、质量等企业管理。
多年来从事IT产业及企业的组织管理工作，有实际管理工作经验。
杨建民：
（董事长助理）男，57岁，1954年5月出生，大专。
本项目的联系人，负责与各方的组织协调，组织项目组起草文件及拟定方案。
多年来从事行政和企事业的管理工作。
范军：
（技术总监）男，47岁，1964年8月出生，硕士。
负责本项目研发成果的产品化设计和实现结构、功能的优化。
多年来从事电子行业软硬件研发和管理工作，有实际的软硬件研发经验。
白怀伟：
（高级工程师）男，34岁，1977年7月出生。
负责本项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。
表2现有人员基本情况表
姓名
出生
年月
学位
职称
专业
承担
任务
单位
张发旺
1952.7
本科
企业
法人
山西福泰隆
科技有限公司
刘静
1969.4
教授、博士生导师
研究员
低温
生物
项目负责人
材料设计
中国科学院
理化研究所
邓中山
1974.8
博士
副研
究员
热能
工程
技术协调
热设计
中国科学院
理化研究所
杨建民
1954.5
大专
项目
联系人
山西福泰隆
科技有限公司
南海
1974.10
本科
工程师
电子
信息
组织
生产
山西福泰隆
科技有限公司
范军
1964.8
硕士
工程师
电子
技术
总监
山西福泰隆
科技有限公司
白怀伟
1977.7
硕士
工程师
测控技术
与仪器
软硬件
开发
山西福泰隆
科技有限公司
王俊发
1973.5
本科
高级
工程师
电气工程及自动化
电气设计
山西福泰隆
科技有限公司
李望
1987.10
本科
工程师
电子信息
工程
电路设计
山西福泰隆
科技有限公司
张伏层
本科
工程师
结构设计与制造
结构设计
山西福泰隆
科技有限公司
支昆明
本科
工程师
机电一体化
工艺设计
山西福泰隆
科技有限公司
2.4新产品开发能力情况
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产品。
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，长期致力于液态金属散热器的开发、研究与推广。
三．项目的技术可行性和成熟性分析
1项目的可行性分析
1.1项目建设的依据
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产学研合作，实现本项目的产业化。
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，是建立高效光电器件冷却方法的崭新的切入点。
中科院理化所于2002年提出并将液态金属散热核心技术申请专利保护，系世界上最早提出、申请并获得液态金属散热技术知识产权的机构，拥有首项此方面的底层自主知识产权。
部分工作以封面文章发表于国际知名期刊，已申请的14项专利覆盖了从底层概念到拓展技术等多个环节，形成了完整的知识产权体系，其开创性工作在国内外处于领先地位。
其中：
用以液态金属散热器的专利有4项，即：
液态金属镓或其合金作流动工质的芯片散热用散热装置，专利号ZL02131419.5；采用热电-电磁泵驱动的液态金属芯片散热器，专利号ZL200420072948.X；一种风扇-搅拌型液态金属芯片散热器，专利号ZL200420096010.1；具有高传热性能的纳米金属流体，专利号ZL.200510114621.3。
相关成果的领先性已经国家授权的专业查新机构——中国科学院文献情报中心查新确认，结论为：
“以低熔点液态金属或其合金作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，与该技术相同的针对计算机芯片散热技术，晚于该查新项目。
”
1.2项目建设的技术可行性分析
1.2.1技术的创新点
中国科学院理化技术研究所科研人员首次在计算机热管理领域引入了具有通用性的室温金属流体散热技术，并获得国内外首项发明专利。
到目前为止，中科院理化技术研究所在液态金属散热技术研究方面已拥有14项专利，而且中科院理化所研发的“液体金属芯片散热器”荣获了2008年中国国际工业博览会创新奖，技术发明人及其团队还因该项技术被授予2008年度中国电子学会电子信息科学技术奖。
1.2.2技术的先进性
液态金属散热技术的关键突破就在于，首次在热管理领域中引入了概念崭新的冷却工质“液态金属”，即在流道内流动的工质并非常规所用的水、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，因而可实现快速高效的热量输运能力，这相对于已有的散热方式是一个观念性的革新和技术革命。
这种低熔点液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、可持续发展能力强以及产业化发展空间大等显著优点。
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；提出了诸多崭新的散热器，如热驱动型、无风扇全静音型、非接触电磁耦合驱动型、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、高性能计算机及200W大功率LED散热的样机，解决了由此引申出的关键技术问题。
1.2.3与国内、外同类产品比较
液体金属冷却技术近年来在国际上引起强烈反响，已成为先进散热管理领域内崭新的发展方向之一。
美国研究者在此方面开展的工作，相继得到多个国际著名科学媒体及产业界新闻杂志如NewScientists、TechnologyReview、TheWallStreetJournal等的报道，并获得超过2000万美元的投资，凸显这类有别于传统技术观念的计算机热管理方法的重大价值。
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热管理技术研究。
2008年在中国台北举办的Computex2005电子产品展会上，著名显卡厂商Sapphire公司向公众展示了一款采用液态金属散热的图像显示卡，该技术一经披露，立即引起业界的高度关注，据悉，Sapphire公司的技术来自美国Nanocooler公司。
在近期出版的英国《物理学杂志D辑：
应用物理学》杂志（JournalofPhysicsD：
AppliedPhysics）上，以中国科学院理化技术研究所研制的室温金属流体散热器的实验系统图为封面，报道了直接利用器件产生的热量驱动的液态金属散热技术。
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，由于其超高热流密度散热特性，在IT及相关行业展示出重大实用价值。
当前，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立，其中，美国NanoCoolers仅初期融资就获得了超过2000万美元的投资（其专利落后于我国）；丹麦Danamics公司（创建于2005年，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CPU液态金属散热器；德国Coollaboratory公司围绕液态金属导热膏热截面材料，已形成市场销售产品。
尽管国际上已形成竞争态势，由于我国拥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，因而为今后进军国内外先进散热器市场奠定了关键基础。
当前，国内各类光电器件普遍采用受迫对流空气来冷却的发热器件，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；风冷散热器冷却热流密度一般不超过10W/cm2，一旦器件发热密度过高时，风冷将很难胜任。
随着光电器件集成度的飞速增长，要求的换热强度越来越高，采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，则失去冷却的器件温度将迅速攀升，直至烧毁。
热管是一种被动散热，利用相变传热的冷却方式，可以达到较之单相流体更高的热流转移通量，但热管制做工艺如芯体材料的制备、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，当热流密度增大到一定程度后，易发生干烧现象（即工质全部气化），从而产生传热恶化，最终导致设备烧毁。
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，因而可实现快速高效的热量输运能力。
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见下表3。
表3性能对比表
项目
水冷技术
液态金属散热技术
工质
热导率
~0.5W/m·℃
~30W/m·℃（镓基）
工质沸点
≤100℃（有可能产生气液两相，可靠性差，且由于蒸发需定期补充工质）
>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（难以满足高热流密度散热需求）
100W/cm2～1000W/cm2（可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
1.3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
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