BBIN中国学科发展战略：电子设备热管理

　　电子设备在国民经济和军事国防领域中发挥着不可或缺的关键核心和支撑作用。受电子器件自身效率的限制，输入电子器件的近80%电功率耗散会转变成废热；如果不能及时有效地解决电子元器件与设备产生的废热排散和温度控制问题，将导致电子器件温度升高，引起器件工作性能下降，影响器件与设备工作的可靠性，甚至超过其极限允许工作温度而烧毁失效。热管理是电子元器件与设备研制的核心元素，也是近十多年来国际热科学领域的研究热点之一，成为未来“后摩尔”时代电子技术发展的重大挑战之一。

　　电子设备热管理主要研究雷达、激光器、数据中心等电子设备和系统热设计、热排散的理论与方法，建立保障电子器件温度在正常使用范围的技术。随着电子技术的发展，电子芯片与器件的微小型化、高集成度、三维（3D）组装结构及高热流密度特征给芯片、器件的温度控制提出了严峻的挑战，带来了一系列新的基础科学问题和技术挑战，亟待攻克新型电子器件研制过程中的热管理关键技术瓶颈。

　　电子设备热管理涉及产热、传热和散热等相互关联的复杂过程，影响因素众多， 必须面对如下基础科学问题和关键技术难点：电–热–力耦合作用下的电子器件产热机理；多层次、跨尺度的电子设备传热特性；系统散热的优化匹配与热量综合管理。

　　电子芯片、元器件的微小型化、高集成度、 3D组装结构、高热流密度、 电子设备系统超大规模化和应用环境极端化等都给电子设备热管理提出了新的挑战：传统的宏观理论与方法受到挑战；界面、表面传递效应凸显；学科交叉性日益明显。

　　美国等西方国家对电子设备热管理技术非常重视，在国家战略层面有清晰的技术发展路线和项目支持。美国国防部高级研究计划局（DARPA）针对电子器件与设备热量传递过程中的共性技术，以项目群的形式进行长期、系统的热管理前沿探索性研究，先后支持了HERETIC、THREADS、MCC、TMT、ICECool五个项目群，吸引了耶鲁大学、斯坦福大学、 普渡大学， 以及国际商业机器（IBM）公司、 雷神公司、 洛克希德·马丁空间系统公司等一些美国著名高校和公司参与， 极大地促进了美国电子设备热管理技术的研究进展， 引领并推动了美国电子设备热管理技术领域的发展。

　　近10多年来，我国国家自然科学基金委员会、科技部等资助了一些电子设备热管理研究项目，吸引了一批国内高校和研究院所投身于电子设备热管理研究领域，取得了一系列有特色的研究成果，推动了我国电子设备热管理领域基础科学研究的深入发展。我国电子、 通信、 航空航天等行业的企业和研究院所也持续开展了电子设备热管理技术的应用开发研究，热管理技术的产业得到了快速发展。但整体而言， 我国在热管理基础方法创新和核心技术掌握等方面与国际先进水平仍然存在较大差距，突出表现在：①关键共性技术和前沿引领技术的研究仍有待加强，缺乏颠覆性引领性技术创新。②科学研究对相关领域产业发展的瓶颈问题聚焦仍显不足，缺乏对核心技术的把握。③热管理人才培养体系尚未建立，难以满足电子行业快速发展需求。④资源配置和科技管理体制仍不能完全适应电子产业创新性发展的需求。

　　综合电子器件与设备的发展需求和规律，以及当前电子设备热管理技术发展水平，本书提出了我国未来电子设备热管理技术发展路线

　　从电子设备产热、传热和散热的全链条出发，认知并厘清电子器件与设备热排散全过程的影响因素和温度场的分布规律，阐明热阻分布与匹配机制和针对不同环节所采取的热管理措施之间协同匹配机制，形成以实现电子器件结温及其温度分布均匀性准确控制为目标的热管理技术与方法，建立器件–界面–热沉–系统多环节匹配和多层次协同的高功率密度电子设备热控制方法与理论体系。

　　传统远程散热架构的冷却方式已无法满足新型高功率电子芯片和3D立体堆叠芯片的散热需求，由此推动了冷却技术向芯片近结架构发展，通过在芯片加工微通道方式，将冷却介质直接引入芯片结点附近，消除界面接触热阻和组件壳体热阻，能够迅速有效地排散芯片产生的耗散热，极大地提升了器件的抗热冲击能力和散热能力。近结点散热技术是适应“后摩尔”时代的未来下一代高热流密度芯片及3D堆叠芯片热管理方法与技术的必然趋势，是解决未来芯片1000W/cm2以上热流密度的关键核心技术。0

　　从系统热管理层面，精准化热控制将成为大型电子设备系统和未来数据中心热管理技术发展的重要方向与目标，其中需要重点发展精准化热感知和精准送冷技术，通过精准热感知技术，实现电子设备系统和数据中心热点精准实时定位甚至超前预测，然后通过精准送冷技术在最小的能耗下实现数据中心高效热管理，避免因为设备或者数据中心出现局部高温而需要浪费大量能源和资源对整个设备或者数据中心进行全局冷却。0

　　作为一种变革性热管理方法，软件冷却不需要通过散热硬件来实现，而是根据计算任务与芯片空闲程度，通过软件调度和科学的任务调配，合理调整多核处理器、多芯片服务器的处理器频率、开关与电压大小，从而减小局部单处理能耗过高的时间与概率，避免热耗局部积累和热点的形成，抑制过高的局部热负荷水平，实现芯片温度的有效控制和计算机资源的最佳配置与利用。尤其是随着人工智能技术的快速迭代发展，软件冷却技术不再局限于通过芯片核心调度来实现节能和温度控制，而是进一步将多核任务调度、冷却系统通过智能化软件有机协调起来，实现电子器件与设备更为高效、节能、 智能化的热BBIN bbin管理。0

　　如何实现大型数据中心的热管理和能量综合管理（排散废热的综合利用和可再生能源及环境冷源在系统热管理中的利用）是当前及未来数据中心热管理发展的首要问题。结合可再生能源建设零排放绿色数据中心，研究高效低成本的低品位废热回收利用方法与技术和建立综合利用可再生能源及环境冷源的机柜及基站和数据中心的热管理方法，将有效地抑制数据中心耗能需求快速增长的趋势，实现有效的节能减排，为实现碳中和目标做出显著的贡献。

　　面向我国电子技术的发展需求，本书提出了我国电子设备热管理学科发展战略建议。

　　尺度微小化、高集成度、 3D组装结构、物理场复杂化及工作环境的极端化对传统的热管理方法与技术提出了挑战，需要围绕电子器件与设备跨时空尺度热量产生与传输机理、异相/异质界面传热特性、高热流密度过冷沸腾与界面性能调控、多场多因素耦合驱动、相间强非线性和非平衡作用传热机理等前沿热点和基本科学问题，重视基础领域研究的突破与创新，探索高热流密度电子器件与设备热管理方法与技术。与此同时， 要解决面向下一代高性能、 高集成度、 大规模电子设备散热瓶颈， 需要从新型半导体材料和制备技术、 高导热封装热管理材料和先进三维封装技术、 高效相变换热技术和元件、 系统热管理优化设计等多维度多层次协同攻关。这必然要涉及传热学、 微电子学、 物理学、 材料、 力学、 机械和控制等多个学科交叉， 针对大型数据中心的热管理还将会结合人工智能、 大数据等信息技术， 因此电子设备热管理是一个典型的多学科交叉领域， 需要结合现代信息、 物理、 材料、 化学等学科的新概念和新方法， 充分地考虑热–电–力–材料的耦合作用， 建立创新的热管理方法与技术。0

　　未来十年将成为我国电子信息技术和产业赶超发达国家的重要窗口期，也是我国在高功率、高集成、 高热流密度芯片热管理及超大型电子设备、 大规模数据中心热管理等核心关键热管理技术领域突破瓶颈和封锁的关键时期。迄今， 我国在电子器件与设备热管理学科领域尚未设立国家级研究机构和平台，研究力量有限且分散，研究方向杂散， 亟待建设具有较强实力的国家级电子器件与设备热管理技术科研平台，设立相应的国家重点实验室，集聚并建设高水平研究队伍，从电子器件与设备的产热–传热–散热和电学性能等全链条着手，系统深入地开展基础性、前沿性、 探索性和原创性的研究工作， 突破高热流密度条件下电子器件与设备热控制的技术壁垒， 不断形成具有我国自主知识产权的原创的电子器件与设备热管理方法和技术，支撑我国电子行业发展对热管理技术的需求，打破国外对该领域先进技术的封锁，改善我国电子信息行业长期缺乏核心技术、自主创新能力弱、发展受制于人的现状，加速推进我国电子信息行业的转型升级，为我国工业建设和国防安全中的先进电子设备与关键器件的研制提供战略性基础技术。0

　　目前，我国尚未单独设立电子热管理学科，也未见专门针对电子设备热管理学科的系统发展规划，电子器件与设备热管理方面的研究工作还主要是依托工程热物理学科，这不仅限制了电子器件与设备热管理理论与方法的进一步发展，也导致相关人才培养难以跟上产业界需求。建议国家设立专门的人才培养与培育扶持计划，面向电子行业的技术发展和需求，积极促进热科学、电子学、 物理、 机械、 力学、 材料和计算机等多学科交叉， 在现行大类招生的基础上， 设立专门的电子器件与设备热管理的专业方向， 开设一批前沿性、 专业性和针对性的课程， 加强相关课程建设和实验室条件建设的支持力度， 加强与电子行业的企业和研究院所的合作办学和联合培养， 加强国际学术交流， 培养具有扎实的基础知识、 熟练的专门技能、 较强的创新意识和创新能力、 清晰的国际视野、 敏锐的专业洞察能力的电子器件与设备热设计的专业人才， 支撑我国电子信息技术领域的快速发展。0

　　目前市场上成熟的电子器件与设备热分析和设计商用软件均是欧美地区的发达国家开发的，这些进口软件已经完全占领我国电子器件与设备热设计及热分析市场。我国目前尚未有一款成熟而使用面广的商业化热设计及分析软件面世，甚至目前都难以谈及具有自主知识产权的热设计软件开发，一旦发达国家对我国采取“卡脖子”措施，必将极大地影响我国电子器件与设备开发和研制。因此， 建议设立电子器件与设备热设计与分析软件研制专项， 组织动员全国高校、 研究院所和企业用户等各方面的力量， 开展大协作， 协同攻关， 研制并发展具有我国自主知识产权的电子器件与设备热设计软件；同时， 要鼓励电子信息行业尽可能地采用国产电子器件与设备热设计与分析方面的软件，并给予一定的包容和扶持，否则极易错过未来十年的窗口机遇期，可能导致我国在热设计软件核心技术上长期落后于人。

　　总之，当前科学技术发展迅猛，面对日趋激烈的国际竞争局面，特别是面对关键核心技术“要不来、买不来、 讨不来”的严峻现实， 需要我们静下心来， 勤奋工作， 刻苦攻关， 补上电子器件与设备热管理方面的短板；需要我们坚持创新驱动发展战略， 坚定不移地走创新发展道路， 敢于攻坚克难， 敢于开展变革性研究， 潜心培育创新人才， 努力实现电子设备热管理方面关键核心技术和软件自主可控， 牢牢把握和保障我们的发展主动权。

　　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。

　　Abstractxix第一章电子设备热管理学科的发展规律与挑战1第一节电子设备热管理的概念与内涵1

　　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第一节研究内涵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第一节概念与内涵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第一节概念与内涵110一、第一代热扩展材料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第一节概念与内涵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TIM199五、全无机低维TIM206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TIM211三、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第一节概念与内涵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第一节概念与内涵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第一节概念与内涵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第一节概念与内涵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第一节概念与内涵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第一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第一节电子设备热管理技术未来发展趋势与路线一、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（本文编辑： 王芳）一起阅读科学!科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm