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中国学科发展战略(电子设备热管理)/学术引领系列/国家科学思想库 版权信息
- ISBN：9787030724724
- 条形码：9787030724724 ; 978-7-03-072472-4
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
中国学科发展战略(电子设备热管理)/学术引领系列/国家科学思想库 内容简介
本书从电子设备热管理学科发展规律与挑战、芯片产热机理与热输运机制、芯片热管理方法、热扩展方法、界面接触热阻与热界面材料、高效散热器、电子设备热设计方法与软件、电力电子设备热管理技术、数据中心热管理技术、基于软件冷却概念的电子设备热管理和电子设备热管理学科建设与人才培养等方面，详细分析电子设备热管理学科与技术发展面临的挑战，梳理我国电子设备热管理学科发展脉络，探讨电子设备热管理技术未来发展趋势，勾勒出我国未来电子元器件与设备热管理技术发展路线图，提出我国电子设备热管理学科研究与技术发展的政策性建议。 本书不仅能够帮助科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向，也是科技管理部门重要的决策参考，同时也是社会公众了解电子设备热管理学科发展现状及趋势的重要读本。
中国学科发展战略(电子设备热管理)/学术引领系列/国家科学思想库 目录
目录
总序 i
前言 vii
摘要 xi
Abstract xix
**章 电子设备热管理学科的发展规律与挑战 1
**节 电子设备热管理的概念与内涵 1
第二节 电子设备热管理的发展规律和面临的挑战 3
一、电子设备热管理的发展规律 3
二、电子设备热管理面临的挑战 7
第三节 电子设备热管理的国内外研究现状 10
一、国际电子设备热管理的研究现状 10
二、我国电子设备热管理的研究现状 12
本章参考文献 14
第二章 芯片产热机理与热输运机制 16
**节 研究内涵 16
第二节 关键科学问题 17
一、纳米尺度芯片电-声耦合产热机理 19
二、芯片微纳尺度热输运机制 20
三、芯片电-热-力协同效应 23
第三节 研究动态 25
一、芯片产热机理 25
二、芯片热输运机制 34
三、芯片电-热-力耦合效应 45
第四节 未来发展趋势和建议 49
一、宽带隙半导体技术 49
二、固-固异质界面热传输强化方法 51
三、芯片跨尺度-多场协同设计方法 52
本章参考文献 53
第三章 芯片热管理方法 65
**节 概念与内涵 65
第二节 面临的挑战和存在的问题 69
一、芯片近结点微通道强化传热机理与方法 69
二、芯片热管理微系统异质封装与集成技术 71
三、芯片热管理微系统热-电-力-流一体化设计方法 73
第三节 研究动态 74
一、近结点微通道设计优化与强化换热 74
二、芯片异质封装键合 87
三、芯片热-电-力一体化协同设 96
第四节 未来发展趋势和建议 99
一、高导热、大尺寸基底键合与异质界面热输运强化方法 99
二、高效低阻近结点微通道结构设计与优化方法 99
三、芯片热管理微系统的高密度异质封装与集成技术 100
四、芯片热管理微系统热-电-力-流一体化设计与评价方法 100
本章参考文献 101
第四章 热扩展方法 110
**节 概念与内涵 110
一、**代热扩展材料 112
二、第二代热扩展材料 114
三、第三代热扩展材料 123
四、蒸汽腔热扩展 124
第二节 面临的挑战和存在的问题 129
一、复合热扩展材料多尺度传热模型与界面调控机理 129
二、低维材料多维导热通路设计方法与器件一体化 130
三、基于微纳复合结构的蒸汽腔相变传热强化方法 130
四、面向超薄、柔性电子器件的新型热扩展方法 131
第三节 研究动态 131
一、高导热复合热扩展材料的界面调控 131
二、低维热扩展材料的可控制备 136
三、基于新型毛细芯设计与微纳结构相结合的蒸汽腔技术 138
四、新型蒸汽腔热扩展方法 143
第四节 未来发展趋势和建议 145
一、高性能热扩展材料的设计与多维导热强化方法 145
二、高导热低维材料的可控生长与器件一体化组装 146
三、蒸汽腔相变传热强化方法与超薄/柔性蒸汽腔热扩展技术 147
本章参考文献 148
第五章 界面接触热阻与热界面材料 158
**节 概念与内涵 158
第二节 面临的挑战和存在的问题 162
一、接触热阻产生的微观机理 162
二、接触热阻的高精度表征与测试方法 163
三、聚合物TIM的高效热通路构建方法 163
四、金属TIM的兼容性增强方法 166
五、全无机低维TIM的多维结构设计方法 167
第三节 研究动态 167
一、接触热阻的产生机理及影响规律 167
二、接触热阻的表征与测试法 173
三、聚合物热界面材料 180
四、金属TIM 199
五、全无机低维TIM 206
第四节 未来发展趋势和建议 210
一、小界面温差、低接触热阻的高精度表征与测试技术 210
二、导热高且模量低的TIM 211
三、TIM的老化机理及其寿命评估方法 211
本章参考文献 212
第六章 高效散热器 221
**节 概念与内涵 221
第二节 面临的挑战和存在的问题 223
一、紧凑式风冷散热器多目标优化设计方法 223
二、单相液冷散热器流阻-热阻协同设计 224
三、相变散热器稳定性和临界热流密度提升方法 224
第三节 研究动态 226
一、风冷散热器 226
二、单相液冷散热器 229
三、相变散热器 233
第四节 未来发展趋势和建议 240
一、风冷散热器散热/结构一体化设计方法 240
二、单相液冷散热器多目标优化设计方法 241
三、高热流密度相变散热器强化换热与稳定性调控方法 242
本章参考文献 244
第七章 电子设备热设计方法与软件 250
**节 概念与内涵 250
一、电子器件与设备热设计背景 250
二、数值分析辅助热设计方法发展历程 253
三、多物理场耦合热设计方法 254
四、微观尺度热设计方法 256
五、常用热分析与设计软件（专用、通用） 257
第二节 面临的挑战和存在的问题 262
一、多场耦合强非线性问题的收敛性 262
二、跨尺度热分析计算的信息交互匹配 264
三、多尺度热分析问题的高计算资源需求 265
第三节 研究动态 266
一、强非线性问题的稳定方法 266
二、跨尺度热分析的信息交互匹配方法 269
三、多尺度热分析问题的计算资源分配 272
第四节 未来发展趋势和建议 274
一、电子设备多层次协同设计方法 274
二、热设计软件模块化集成和大规模实际问题的精确求解 276
三、研发具有自主知识产权的热分析与热设计软件 277
本章参考文献 278
第八章 电力电子设备热管理技术 283
**节 概念与内涵 283
一、电力电子设备的发展现状 283
二、电力电子设备的热特征 286
第二节 面临的挑战和存在的问题 290
一、通用电力电子器件结温在线测量方法 290
二、非平稳工况电力电子器件结温管理方法 292
三、功率半导体器件封装热管理技术 293
第三节 研究动态 293
一、基于过温保护的外部热管理技术 293
二、功率半导体器件封装热管理技术 304
三、基于寿命模型的器件结温平滑控制技术 308
第四节 未来发展趋势和建议 314
一、非平稳工况器件结温测量方法研究 315
二、基于器件损耗控制的内部热管理策略研究 316
三、应用于碳化硅器件的新型封装热管理技术 317
本章参考文献 318
第九章 数据中心热管理技术 326
**节 概念与内涵 326
一、数据中心的发展历程 326
二、数据中心的热管理问题 329
三、数据中心的能效评价与节能 332
第二节 面临的挑战和存在的问题 336
一、大型数据中心高效精准化热管理 337
二、大型数据中心低品位废热高效利用 340
第三节 研究动态 341
一、大型数据中心高效热管理技术 341
二、大型数据中心废热利用与节能技术 348
第四节 未来发展趋势和建议 352
一、数据中心超前预测与调控 352
二、100%可再生能源供能——零排放数据中心建设 353
本章参考文献 353
第十章 基于软件冷却概念的电子设备热管理 360
**节 概念与内涵 360
第二节 面临的挑战和存在的问题 363
一、温度场高精度感知和重构 363
二、准确的功耗与温度关联模型 364
三、高效任务资源调度策略 365
第三节 研究动态 366
一、片上系统温度场感知与重构方法 366
二、处理器功耗与温度分布的匹配关系 367
三、软件冷却系统资源调度策略 369
四、软件冷却方法的应用研究 371
第四节 未来发展趋势和建议 372
一、发展面向多核异构系统的实时动态调度方法 372
二、建立任务迁移与任务切换开销的评估方法与评价准则 373
三、发展基于热耗与温度超前预测的智能化软件冷却方法 373
本章参考文献 374
第十一章 电子设备热管理学科建设与人才培养 377
**节 学科建设与人才培养的必要性 377
一、学科发展的必然性 377
二、专业人才的缺乏 378
三、巨大的市场需求 379
第二节 国外学科建设和人才培养概况 380
一、美国电子设备热管理的学科建设与人才培养概况 380
二、欧洲电子设备热管理的学科建设与人才培养概况 384
三、日韩电子设备热管理的学科建设与人才培养概况 386
第三节 国内学科建设和人才培养概况 388
一、国内学科建设和人才培养中存在的问题 388
二、国内学科建设和人才培养的对策 390
第十二章 电子设备热管理技术与学科发展战略建议 391
**节 电子设备热管理技术未来发展趋势与路线图 391
一、发展电子设备产热-传热-散热全链条多层次协同热管理方法与理论体系 394
二、发展面向超高热流密度芯片近结点定向热管理方法 394
三、发展面向大型电子设备和数据中心的精准热管理方法 395
四、发展基于软件冷却概念的智能化热管理方法 396
五、发展电子设备能量综合管理与利用技术 397
第二节 加强基础研究和跨学科交叉领域研究 398
第三节 打造国家级电子设备热管理研究平台 399
第四节 要加大学科投入、重视学科规划和加强人才培养 400
第五节 发展具有自主知识产权的热分析和设计软件 401
关键词索引 404
展开全部
中国学科发展战略(电子设备热管理)/学术引领系列/国家科学思想库 节选
**章 电子设备热管理学科的发展规律与挑战 **节 电子设备热管理的概念与内涵 由半导体器件、集成电路、光电子器件和真空电子器件等电子元器件组成的电子设备［如计算机、数控、信息技术（information technology，IT）设备、数据中心、激光器和雷达等］是社会经济和军事国防领域中的基础单元和关键设备，在国民经济和国防领域中发挥着十分重要的作用，如图1-1所示。 图1-1 电子设备在国民经济的许多领域有广泛应用 由于受电子器件效率的内在限制，输入给电子器件的近80%电功率都将耗散转变成废热。如果不能有效地解决电子器件与设备产生的废热及时排散和温度控制问题，会导致电子器件温度升高，器件工作性能下降，甚至超过电子器件允许的极限工作温度而烧毁失效，严重影响电子器件与设备的工作性能与可靠性。以射频组件性能与温度的关系为例［图1-2(a)］，随着电子器件温度的增加，射频组件的输出功率和功率增益效率都在不断下降，电子器件性能与其温度存在密切关联[1]。如图1-2(b)所示，对典型场效应晶体管（field effect transistor，FET）而言，器件工作温度水平也是影响其失效和寿命的关键因素之一，当器件结温超过150℃后，场效应晶体管每十万小时失效率将急剧增加。 图1-2 温度对电子器件性能的影响 随着第五代移动通信技术（5th generation mobile networks，5G）、大数据、人工智能和无人驾驶等新技术的发展与应用，对数据的计算、连接、传送、交换和存储等的要求越来越高，电子器件与设备热管理已经不仅是可靠性保障的需求，已提升到决定芯片算力和处理能力的高度。历史上，晶体管工艺的进步可同时实现性能提升和能耗降低；当电子芯片特征尺寸演进到10nm时，已无法实现在降低能耗的同时大幅度提升性能，芯片每代性能提升1倍，芯片比功耗a至少需要提升30%～40%，这导致当前芯片散热能力其实已远不能满足芯片全性能发挥时的散热需求。从实际应用角度看，散热能力决定了芯片的性能能够发挥到多少；从国际竞争角度看，高性能且高能效的电子器件与设备热管理能力，可以部分弥补国产半导体工艺和国外差2代的显著代沟差距。因此，热管理已成为维护与保障电子设备工作性能和可靠性、研制新型电子设备的关键技术，是近十多年来国际热科学领域的研究热点之一。 第二节.电子设备热管理的发展规律和面临的挑战 一、电子设备热管理的发展规律 随着电子技术的发展，电子器件与设备热管理呈现两大发展规律，具体如下。 （一）电子芯片、器件特征尺寸越来越小，器件集成度越来越高，输入功率与功率损耗不断增大，导致其热流密度急剧升高 电子芯片特征尺寸是电子技术发展水平的一个重要标志，特征尺寸越小，芯片集成度越高。集成电路（intergrated circuit，IC）数字芯片演进的核心基石与标志是摩尔定律。芯片特征尺寸从20世纪70年代的10μm量级已经减小到当前的10nm量级，2019年芯片已经达到7nm，2021年演进到5nm，未来10年将持续向3nm、2nm等递进。芯片集成度随之以惊人的速度增大，从*初的单个芯片只能集成几十个晶体管，发展到目前单个芯片可以集成几十亿个晶体管。 在芯片尺寸缩减演进过程中，芯片功率在不断增大。例如，20世纪80年代单个芯片的功率只有几瓦，2005年左右已增大到接近100W，增大了几十倍。在过去10年中，对比功耗而言，算力和管道带宽性能的增幅要超过摩尔和超摩尔演进的降幅，芯片的比功耗增加了5倍，而人工智能（artificial intelligence，AI）芯片、高性能中央处理器（central processing unit，CPU）和大容量网络交换芯片的功耗都已经达到300～400W。芯片在性能提升过程中遇到高速墙和内存墙，两个裸片距离太远，难以实现裸片之间大于100Gbit/s的高速通信需求，难以解决计算核心和内存之间的高带宽需求。为了解决这两个问题，当前的趋势是把多个裸片通过异构合封（heterogonous integration）组合在一起，满足大封装、大功耗的需求。基于性能演进需求，预测未来5年芯片比功耗还将会增长2～3倍（图1-3），单芯片功耗会达到并超过1000W。 图1-3 芯片比功耗演化预测 数据来源：华为技术有限公司 由于阈值电压的限制，晶体管的功耗降幅低于尺度小型化的降幅。如果维持工作频率不变，每代节点晶体管热流密度会上升约30%，导致电子芯片和器件的热流密度急剧上升，热流密度从早期的不超过10W/cm2已经增大至100W/cm2。例如，激光二极管和固态微波功率器件的热流密度已经达到200～500W/cm2，这样的热流密度相当于核弹爆炸的水平（图1-4），因而亟待解决高热流密度条件下的电子器件温度控制问题。此外，由于芯片尺度的缩小，芯片自身的热容量及热惯性下降，抗瞬态热冲击的能力迅速下降，需要快速及时排散芯片工作过程中器件内部产生的焦耳热。 近年来，电子器件正从传统的二维平面组装向三维立体集成方向发展，通过将射频前端、信号处理、存储、传感、致动甚至能量源等功能的电子元件垂直集成在一起，从而达到增强功能密度、进一步缩小尺寸的目的，以克服“后摩尔”时代电子技术发展过程中面临的挑战。例如，西屋电气公司（Westinghouse Electric Corporation，WEC）采用三维（three dimension，3D）集成技术研制的X波段微波器件，由8个砷化镓（GaAs）单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuit，MMIC）晶片、4个GaAs数控介质晶片、若干功放匹配网络及射频（radio frequency，RF）旁路电容等构成，互连电路基板为低温共烧陶瓷多层基板，其内部含有22层布线及多种形状复杂的空腔结构，线宽/间距均为125μm，相对于原先的分立模块，体积和重量缩小了数十倍。与二维（two dimension，2D）器件相比，3D集成电子器件的热流密度将急剧增大。有数据表明，3D集成器件功率密度将达到1kW/cm2以上，局部热点更是将超过5kW/cm2。显然，3D集成器件在给电子技术发展带来新机遇的同时，给热管理技术提出了新的、更高的要求。 因此，可以看出，热管理已经成为制约电子技术发展的关键瓶颈问题之一。2015年，英特尔公司的首席执行官科再奇（Krzanich）称指导了过去50年电子行业发展的摩尔定律即将走向终结，并指出摩尔定律失效的主要原因之一是热死亡。电子技术未来发展亟待需要热管理新方法与新技术的支撑。 （二）电子设备、系统大型化、超大规模特征日益凸显，系统热耗巨大 电子技术的另一个发展特征体现在设备级和系统层次，随着对电子设备功能需求的不断提高，电子设备、系统的规模越来越大。例如，腾讯科技（深圳）有限公司在天津的数据中心服务器数量已超过10万个，天河二号超级计算机有32 000个Ivy Bridge处理器和48 000个Xeon Phi，共有312万个计算核心。大型化、超大规模的电子设备和系统耗能巨大。以数据中心为例，2016年我国数据中心保有量约为5.6万个，2020年我国数据中心保有量超过8万个，与之相对应的是能源消耗也在逐年攀升。据统计，2009年我国数据中心的耗电量达到364亿kW h，大约相当于当年全国总能耗的1%，2018年我国数据中心用电量占全国的2.35%，超过上海用电量（1567亿kW h），碳排放达9900万t，高耗能成为数据中心产业发展的大问题（图1-5）[8]。数据分析表明，在数据中心总耗电量中，用于IT设备和制冷设备的能耗均占到了40%（图1-6），是数据中心*大的耗能源头。当前，国家也在加强对设备能效进行目标牵引，工业和信息化部等2019年发布的《工业和信息化部 国家机关事务管理局 国家能源局关于加强绿色数据中心建设的指导意见》（工信部联节［2019］24号）要求新建大型、超大型数据中心的电
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