内容简介
《电子设备热管理》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。
精彩书摘
第一章 电子设备热管理学科的发展规律与挑战
第一节 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，从最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，
目录
目录
总序 i
前言 vii
摘要 xi
Abstract xix
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
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
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
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
试读
第一章 电子设备热管理学科的发展规律与挑战
第一节 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，从最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，
