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    热封装实验室 | 砺一流品行,做一流科研

    时间:2021-05-08 浏览次数:

    1.课题组简介

    以罗小兵教授为依托的热封装实验室(TPL),现有教授1名,副教授2名,讲师1名,博士后2名,博士和硕士研究生24名。实验室研究方向包括:高功率密度水力悬浮泵的研发、极端热管理、光电封装与应用、微尺度下传热机理研究以及热超材料的调控等。

    实验室的发展目标是培养优秀的学生,同时解决工业界的痛点问题和技术难题。

    2.团队成员

    罗小兵,二级教授,博士导师,国家杰出青年基金获得者,IEEE Fellow,国家万人计划科技创新领军人才,能源与动力工程学院院长,中欧能源学院中方院长。研究方向为:光电器件封装(LED及量子点);极端热管理设计及器件;微泵。先后培养毕业博士生15名,硕士生23名。个人先后获得2021年IEEE电子封装协会最佳副编辑,2020年宝钢优秀教师特等奖提名奖,2018年国家教学成果奖二等奖(排名2),2016 IEEE CPMT Exceptional Technical Achievement Award(IEEE封装协会杰出技术成就奖),2016年国家技术发明二等奖(排名2),2015湖北省自然科学一等奖(排名1)。第一作者或者通讯作者发表SCI检索论文147篇(SCI 他引2088次,截止到2021年3月26日),第一发明人授权中国发明专利45项,美国专利4项,出版中英文专著各1部。境外国际会议特邀报告12次(美国,法国,瑞士,日本,韩国等)。任IEEE 封装会刊Associate Editor,ASME 电子封装会刊Associate Editor,2019年美国阿纳海姆ASME InterPACK 会议Vice General Chair,2018年美国旧金山ASME InterPACK 会议Vice General Chair。研制成功国际领先的微型水力悬浮泵和超薄微泵,高温骨架等,并实施了转化和销售。电子邮箱:[email protected].


    胡润,湖北黄冈人,必发彩票app下载工程热物理系副教授、博导,湖北省“楚天学子”,必发彩票app下载“华中学者晨星岗”、“学术新人奖”。2010年6月获得必发彩票app下载工学学士学位,2015年6月获得必发彩票app下载工学博士学位。2014年11月至2015年3月在美国普渡大学从事访问学者研究。2016年11月至2017年11月在日本东京大学从事JSPS博士后研究。以第一或通讯作者发表Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Today、Nano Energy、Physical Review X、National Science Review、Matter、Physical Review Applied、ACS Applied Materials and Interfaces、International Journal of Heat and Mass Transfer等SCI论文50余篇,合著英文书籍3章,获得授权中国发明专利5项。研究兴趣为热超材料及热功能器件、微纳尺度传热、大功率LED封装、电子器件热管理等。电子邮箱:[email protected]


    徐东伟,河北保定人,必发彩票app下载工程热物理系副教授。2003年获得诺贝尔物理学奖得主李政道先生资助的君政学者称号。2007年由于科研方面的突出表现,提前获得硕士学位并赴美攻读博士。博士就读于美国俄克拉荷马州立大学物理学院,师从谢心澄教授(现任北大物理学院院长,中科院院士)。2017年底从美国能源部直属阿贡国家实验室结束博士后研究,开始在必发彩票app下载任教。在美留学10年中有一年半在美国大学教学的经历。研究兴趣广泛,致力于从基础研究角度探究应用中的重要问题。近年来,在有关LED相关材料和储能电池材料方面进行了深入研究,取得了一系列成果。发表SCI期刊论文多篇。应Nova科学出版社的邀请,撰写英文专业书目一章。多次参加国际学术会议和论坛,加强与世界一流学者之间的学术交流。担任多种国际学术期刊(Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Applied Physics, Journal of Physics and Chemistry of Solids, Thin Solid Films等) 的审稿人。目前的研究兴趣为低维纳米材料中的电学性质及热输运,对热电材料,LED 相关材料以及储能材料兴趣浓厚。电子邮箱:[email protected].


    马金龙,湖北襄阳人,必发彩票app下载工程热物理系讲师。2011年获得必发彩票app下载工学学士学位,2016年获得必发彩票app下载工学博士学位,2013年2月至8月在香港科技大学访问。以第一作者发表SCI论文8篇,并担任多个国际学术期刊(Physical Review Letters, Physical Review B, Applied Physics Letters等)审稿人。研究方向为纳米尺度热输运和电输运的理论研究以及第一性原理计算。电子邮箱:[email protected].

    3.研究方向与成果展示

    3.1高功率水力悬浮微泵&超薄微型泵研制


    随着电子器件性能的不断提升,电子器件朝着小型化、大功率密度的方向发展。主动液冷散热技术由于散热能力强、集成度高、均温性好等优点,成为未来电子器件热管理的重要手段之一。

    在主动液冷散热技术中,驱动冷却工质循环的泵是液冷系统的核心部件,液冷系统的散热性能、可靠性和集成度取决于泵的可靠性和功率密度。而市面上现有的微型泵由于使用容易磨损失效的接触式轴承结构,导致其广泛存在可靠性低、功率密度低等问题。

    基于此,能源学院热封装实验室利用转子高速旋转产生的水力动压对微型泵转子进行支承,实现了微型泵的全自由度悬浮,彻底解决了微型泵轴承磨损和功率密度低的问题。开发出的世界第一款散热用水力悬浮微型泵额定转速超过20000转每分钟,扬程达到10米,可以将水泵送至四楼以上,具有高性能、低噪音及寿命长的优势。经过试验测试,该泵能连续运行8年以上。

    同时,为了解决目前微型泵厚度过大的问题,热封装实验室还研制出了厚度<5mm的超薄微型泵,用于紧凑电子器件液冷系统。

    热封装实验室研制的水力悬浮微型泵与超薄微型泵性能优异、应用前景广阔,已实现小批量生产销售。实验室与华为、中兴、爱立信、中电十四所等知名单位均达成项目合作,研制出的微型泵有望在5G基站、雷达热控系统等领域广泛应用。

    3.2极端热管理

    在国防、汽车、石油勘探等领域,电子器件常面临高温环境(150℃以上),常规热管理方法无法满足其散热需求,亟需开发一套极端环境下的电子器件热管理系统。本课题组以在高温井下(>200℃)作业的测井仪为研究对象,采用绝热-储热-导热三种技术联用的方式,对井下电子进行热管理,保障其正常作业。主要工作和创新如下:1)针对井下电子数量多且分散特点,提出应用于测井仪的分布式热管理系统并成功实践;2)新型相变材料的研究、封装、可靠性测试及其在极端热环境下的应用;3)极端环境下热管理系统的热学建模及实时温度预测算法开发。

    3.3 LED封装与应用

    LED被誉为21世纪绿色照明光源和第四代光源。LED封装是LED产业链中关键的一个环节,是连接芯片和应用的桥梁。TPL长期致力于LED封装与应用研究,在如下几个方面取得了丰硕的研究成果:1、封装工艺优化设计;2、光热耦合可靠性研究;3、复杂应用下的光学设计;4、量子点封装。封装工艺优化设计中,TPL实验室研究了各种封装参数对出光的影响规律,并根据涂覆的流动特性提出了多种控制涂覆形貌的涂覆新工艺,从而得到优化的封装效果。针对大功率LED的高温工作环境,TPL实验室通过建立LED热阻网络,建立了荧光粉光热耦合模型,进而设计了高发光、低温工作、高可靠性的LED。在光学设计方面,TPL实验室以高光效、高空间颜色均匀度为目标,提出了实现能量任意映射的非成像光学普适性透镜算法,并据此开发了透镜设计软件,目前已在各类照明灯具中得到了应用。量子点作为一种新兴的具有优良特性的光致发光材料,量子点封装已成为LED封装的发展趋势,TPL实验室目前已提出多种高光热性能的量子点制备方法和封装方式。

    3.4热超材料调控

    热超材料是一种具有特殊性质的由功能基元序构组成的人工材料,自诞生之初就吸引了广泛关注和研究兴趣。热超材料可以打破热流各向同性的扩散本性,实现针对热流大小和方向的定向调控,实现许多新奇的热学功能,在热管理、强化传热等领域有广泛的应用前景。TPL驻足热超材料的发展前沿,在以下几个方面有重要成果:1、提出了针对热源的通用幻象热学设计方法;2、基于功能基元序构的热编码器件;3、基于区域变换的加密热打印功能和极限热流操控。TPL实验室对热源进行变换热学操作,通过热流调控引入了器件内部目标热源的幻象分裂功能,大大增强了传导型热伪装的实用效果。受信息储存的启发,TPL实验室提出用热屏蔽模块和热聚集模块中间局部区域的两种典型热流量来表征二进制的0和1,进而实现红外编码功能。此外,TPL实验室提出区域变换热学方法,实现热流沿特定方向的功能基元,通过拼接等方式实现加密热打印,在红外镜头中实现可视的红外信息打印输出,在自然光中实现信息加密。

    3.5微纳尺度传热

    在LED,高频晶体管,太阳能电池等电子器件应用中,温度是影响性能,可靠性及寿命的重要因素。材料的导热特性决定器件温度分布,是电子器件热管理的重要内容。TPL实验室长期致力于电子材料本征导热特性的研究。通过第一性原理,Monte Carol模拟,分子动力学,晶格动力学等方法,实验室对纤锌矿氮化镓,氮化铟,氮化铝及其合金等材料导热特性进行探究。部分结果如下:(1)研究了纤锌矿AlN、GaN和InN水平和垂直方向上的导热系数,并且以这两个方向上导热系数的不同来表征各向异性。对于纤锌矿AlN,导热系数的各向异性较小,可视为各向同性材料。而纤锌矿GaN和InN的导热系数具有较大的各向异性,并且随着温度的降低,各向异性增强。(2)采用虚拟晶格模型,将合金的无序晶格假设为有序状态,并且与其组分材料有相似的晶格结构,相应的晶格常数和原子位置为各组分晶格参数按浓度的权重平均,计算得到纤锌矿AlxGa1-xN、InxGa1-xN和AlxIn1-xN在300 K时导热系数随组分浓度的变化。合金的掺杂会抑制晶格振动,减小单晶热导率。随浓度增加,InxGa1-xN等合金热导率呈现先减后增的变化趋势。

    4.实验室环境及日常活动

    热封装实验室(TPL)主要包括两个实验室,分别为工程应用实验室和LED封装实验室。工程应用实验室有多台先进的高水平实验室台架,包括微型泵加速寿命实验台架、微型泵水力性能测试台架、高低温循环测试台架、液冷服测试台架以及喷雾冷却散热测试台架,其中包括多台先进实验设备:PHOTRON SA2高速摄像机、接触角测量仪、导热系数测量仪、表面粗糙度测量仪、粘度仪、真空分子泵、激光位移传感器、电磁流量计、旋转流变仪等等,可以最大化满足相关的工程测量测试需求。

    LED封装实验室主要用来完成量子点合成及测试、高导热热界面材料的合成与测试等相关工作,实验室包含多台先进实验设备:LED在线可靠性测试系统、激光导热仪、红外线热像仪、反射率积分球,荧光分光光度计等,另外实验室配备了五台高性能服务器,可供实验室成员使用,满足大家大批量仿真的需求。

    热封装实验室(TPL)以育人为本,在紧张繁忙的科研生活之余不忘安排丰富多彩的活动来缓解压力。实验室一般每周会组织1-2次篮球赛和羽毛球赛,放松身心、强身健体;逢年过节,实验室也会组织一些文化活动,增进实验室成员感情,除此之外,热封装实验室有一项传统是每年年底举办年会,借此机会表彰在这一年中对实验室做出突出贡献的TPL成员。

    5.毕业生去向

    万志敏,2011年硕士毕业,美国乔治亚理工博士,现在美国INTEL工作

    吴步龙,2012年硕士毕业,美国马里兰大学博士,现美国苹果公司工作

    毛章明,2012年硕士毕业,美国宾西法利亚州立大学博士,现在美国CytoChip公司工作

    付星,2014年硕士毕业,现任华为基辅研究所所长

    郑怀,2014年博士毕业,武汉大学教师,现任副教授

    胡润,2015年博士毕业,必发彩票app下载教师,现任副教授

    郭庭辉,2015年博士毕业,华为技术有限公司武汉研究所

    马金龙,2016年博士毕业,必发彩票app下载教师,现任讲师

    更多实验室信息,可浏览热封装实验室官网tpl.energy.hust.edu.cn

    必发彩票app下载学生工作部、人民武装部

    地址:湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号 邮编:430074
    联系电话:027-87542128  传真:027-87542901

    ICP证号:鄂ICP备030193号

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