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      熱封裝實驗室 | 礪一流品行,做一流科研

      時間:2021-05-08 瀏覽次數:

      1.課題組簡介

      以羅小兵教授為依托的熱封裝實驗室(TPL),現有教授1名,副教授2名,講師1名,博士后2名,博士和碩士研究生24名。實驗室研究方向包括:高功率密度水力懸浮泵的研發、極端熱管理、光電封裝與應用、微尺度下傳熱機理研究以及熱超材料的調控等。

      實驗室的發展目標是培養優秀的學生,同時解決工業界的痛點問題和技術難題。

      2.團隊成員

      羅小兵,二級教授,博士導師,國家杰出青年基金獲得者,IEEE Fellow,國家萬人計劃科技創新領軍人才,能源與動力工程學院院長,中歐能源學院中方院長。研究方向為:光電器件封裝(LED及量子點);極端熱管理設計及器件;微泵。先后培養畢業博士生15名,碩士生23名。個人先后獲得2021年IEEE電子封裝協會最佳副編輯,2020年寶鋼優秀教師特等獎提名獎,2018年國家教學成果獎二等獎(排名2),2016 IEEE CPMT Exceptional Technical Achievement Award(IEEE封裝協會杰出技術成就獎),2016年國家技術發明二等獎(排名2),2015湖北省自然科學一等獎(排名1)。第一作者或者通訊作者發表SCI檢索論文147篇(SCI 他引2088次,截止到2021年3月26日),第一發明人授權中國發明專利45項,美國專利4項,出版中英文專著各1部。境外國際會議特邀報告12次(美國,法國,瑞士,日本,韓國等)。任IEEE 封裝會刊Associate Editor,ASME 電子封裝會刊Associate Editor,2019年美國阿納海姆ASME InterPACK 會議Vice General Chair,2018年美國舊金山ASME InterPACK 會議Vice General Chair。研制成功國際領先的微型水力懸浮泵和超薄微泵,高溫骨架等,并實施了轉化和銷售。電子郵箱:luoxb@hust.edu.cn.


      胡潤,湖北黃岡人,華中科技大學工程熱物理系副教授、博導,湖北省“楚天學子”,華中科技大學“華中學者晨星崗”、“學術新人獎”。2010年6月獲得華中科技大學工學學士學位,2015年6月獲得華中科技大學工學博士學位。2014年11月至2015年3月在美國普渡大學從事訪問學者研究。2016年11月至2017年11月在日本東京大學從事JSPS博士后研究。以第一或通訊作者發表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論文50余篇,合著英文書籍3章,獲得授權中國發明專利5項。研究興趣為熱超材料及熱功能器件、微納尺度傳熱、大功率LED封裝、電子器件熱管理等。電子郵箱:hurun@hust.edu.cn.


      徐東偉,河北保定人,華中科技大學工程熱物理系副教授。2003年獲得諾貝爾物理學獎得主李政道先生資助的君政學者稱號。2007年由于科研方面的突出表現,提前獲得碩士學位并赴美攻讀博士。博士就讀于美國俄克拉荷馬州立大學物理學院,師從謝心澄教授(現任北大物理學院院長,中科院院士)。2017年底從美國能源部直屬阿貢國家實驗室結束博士后研究,開始在華中科技大學任教。在美留學10年中有一年半在美國大學教學的經歷。研究興趣廣泛,致力于從基礎研究角度探究應用中的重要問題。近年來,在有關LED相關材料和儲能電池材料方面進行了深入研究,取得了一系列成果。發表SCI期刊論文多篇。應Nova科學出版社的邀請,撰寫英文專業書目一章。多次參加國際學術會議和論壇,加強與世界一流學者之間的學術交流。擔任多種國際學術期刊(Physical Chemistry Chemical Physics, Journal of Applied Physics, Journal of Physics and Chemistry of Solids, Thin Solid Films等) 的審稿人。目前的研究興趣為低維納米材料中的電學性質及熱輸運,對熱電材料,LED 相關材料以及儲能材料興趣濃厚。電子郵箱:dwxu@hust.edu.cn.


      馬金龍,湖北襄陽人,華中科技大學工程熱物理系講師。2011年獲得華中科技大學工學學士學位,2016年獲得華中科技大學工學博士學位,2013年2月至8月在香港科技大學訪問。以第一作者發表SCI論文8篇,并擔任多個國際學術期刊(Physical Review Letters, Physical Review B, Applied Physics Letters等)審稿人。研究方向為納米尺度熱輸運和電輸運的理論研究以及第一性原理計算。電子郵箱:majinlong@hust.edu.cn.

      3.研究方向與成果展示

      3.1高功率水力懸浮微泵&超薄微型泵研制


      隨著電子器件性能的不斷提升,電子器件朝著小型化、大功率密度的方向發展。主動液冷散熱技術由于散熱能力強、集成度高、均溫性好等優點,成為未來電子器件熱管理的重要手段之一。

      在主動液冷散熱技術中,驅動冷卻工質循環的泵是液冷系統的核心部件,液冷系統的散熱性能、可靠性和集成度取決于泵的可靠性和功率密度。而市面上現有的微型泵由于使用容易磨損失效的接觸式軸承結構,導致其廣泛存在可靠性低、功率密度低等問題。

      基于此,能源學院熱封裝實驗室利用轉子高速旋轉產生的水力動壓對微型泵轉子進行支承,實現了微型泵的全自由度懸浮,徹底解決了微型泵軸承磨損和功率密度低的問題。開發出的世界第一款散熱用水力懸浮微型泵額定轉速超過20000轉每分鐘,揚程達到10米,可以將水泵送至四樓以上,具有高性能、低噪音及壽命長的優勢。經過試驗測試,該泵能連續運行8年以上。

      同時,為了解決目前微型泵厚度過大的問題,熱封裝實驗室還研制出了厚度<5mm的超薄微型泵,用于緊湊電子器件液冷系統。

      熱封裝實驗室研制的水力懸浮微型泵與超薄微型泵性能優異、應用前景廣闊,已實現小批量生產銷售。實驗室與華為、中興、愛立信、中電十四所等知名單位均達成項目合作,研制出的微型泵有望在5G基站、雷達熱控系統等領域廣泛應用。

      3.2極端熱管理

      在國防、汽車、石油勘探等領域,電子器件常面臨高溫環境(150℃以上),常規熱管理方法無法滿足其散熱需求,亟需開發一套極端環境下的電子器件熱管理系統。本課題組以在高溫井下(>200℃)作業的測井儀為研究對象,采用絕熱-儲熱-導熱三種技術聯用的方式,對井下電子進行熱管理,保障其正常作業。主要工作和創新如下:1)針對井下電子數量多且分散特點,提出應用于測井儀的分布式熱管理系統并成功實踐;2)新型相變材料的研究、封裝、可靠性測試及其在極端熱環境下的應用;3)極端環境下熱管理系統的熱學建模及實時溫度預測算法開發。

      3.3 LED封裝與應用

      LED被譽為21世紀綠色照明光源和第四代光源。LED封裝是LED產業鏈中關鍵的一個環節,是連接芯片和應用的橋梁。TPL長期致力于LED封裝與應用研究,在如下幾個方面取得了豐碩的研究成果:1、封裝工藝優化設計;2、光熱耦合可靠性研究;3、復雜應用下的光學設計;4、量子點封裝。封裝工藝優化設計中,TPL實驗室研究了各種封裝參數對出光的影響規律,并根據涂覆的流動特性提出了多種控制涂覆形貌的涂覆新工藝,從而得到優化的封裝效果。針對大功率LED的高溫工作環境,TPL實驗室通過建立LED熱阻網絡,建立了熒光粉光熱耦合模型,進而設計了高發光、低溫工作、高可靠性的LED。在光學設計方面,TPL實驗室以高光效、高空間顏色均勻度為目標,提出了實現能量任意映射的非成像光學普適性透鏡算法,并據此開發了透鏡設計軟件,目前已在各類照明燈具中得到了應用。量子點作為一種新興的具有優良特性的光致發光材料,量子點封裝已成為LED封裝的發展趨勢,TPL實驗室目前已提出多種高光熱性能的量子點制備方法和封裝方式。

      3.4熱超材料調控

      熱超材料是一種具有特殊性質的由功能基元序構組成的人工材料,自誕生之初就吸引了廣泛關注和研究興趣。熱超材料可以打破熱流各向同性的擴散本性,實現針對熱流大小和方向的定向調控,實現許多新奇的熱學功能,在熱管理、強化傳熱等領域有廣泛的應用前景。TPL駐足熱超材料的發展前沿,在以下幾個方面有重要成果:1、提出了針對熱源的通用幻象熱學設計方法;2、基于功能基元序構的熱編碼器件;3、基于區域變換的加密熱打印功能和極限熱流操控。TPL實驗室對熱源進行變換熱學操作,通過熱流調控引入了器件內部目標熱源的幻象分裂功能,大大增強了傳導型熱偽裝的實用效果。受信息儲存的啟發,TPL實驗室提出用熱屏蔽模塊和熱聚集模塊中間局部區域的兩種典型熱流量來表征二進制的0和1,進而實現紅外編碼功能。此外,TPL實驗室提出區域變換熱學方法,實現熱流沿特定方向的功能基元,通過拼接等方式實現加密熱打印,在紅外鏡頭中實現可視的紅外信息打印輸出,在自然光中實現信息加密。

      3.5微納尺度傳熱

      在LED,高頻晶體管,太陽能電池等電子器件應用中,溫度是影響性能,可靠性及壽命的重要因素。材料的導熱特性決定器件溫度分布,是電子器件熱管理的重要內容。TPL實驗室長期致力于電子材料本征導熱特性的研究。通過第一性原理,Monte Carol模擬,分子動力學,晶格動力學等方法,實驗室對纖鋅礦氮化鎵,氮化銦,氮化鋁及其合金等材料導熱特性進行探究。部分結果如下:(1)研究了纖鋅礦AlN、GaN和InN水平和垂直方向上的導熱系數,并且以這兩個方向上導熱系數的不同來表征各向異性。對于纖鋅礦AlN,導熱系數的各向異性較小,可視為各向同性材料。而纖鋅礦GaN和InN的導熱系數具有較大的各向異性,并且隨著溫度的降低,各向異性增強。(2)采用虛擬晶格模型,將合金的無序晶格假設為有序狀態,并且與其組分材料有相似的晶格結構,相應的晶格常數和原子位置為各組分晶格參數按濃度的權重平均,計算得到纖鋅礦AlxGa1-xN、InxGa1-xN和AlxIn1-xN在300 K時導熱系數隨組分濃度的變化。合金的摻雜會抑制晶格振動,減小單晶熱導率。隨濃度增加,InxGa1-xN等合金熱導率呈現先減后增的變化趨勢。

      4.實驗室環境及日?;顒?/span>

      熱封裝實驗室(TPL)主要包括兩個實驗室,分別為工程應用實驗室和LED封裝實驗室。工程應用實驗室有多臺先進的高水平實驗室臺架,包括微型泵加速壽命實驗臺架、微型泵水力性能測試臺架、高低溫循環測試臺架、液冷服測試臺架以及噴霧冷卻散熱測試臺架,其中包括多臺先進實驗設備:PHOTRON SA2高速攝像機、接觸角測量儀、導熱系數測量儀、表面粗糙度測量儀、粘度儀、真空分子泵、激光位移傳感器、電磁流量計、旋轉流變儀等等,可以最大化滿足相關的工程測量測試需求。

      LED封裝實驗室主要用來完成量子點合成及測試、高導熱熱界面材料的合成與測試等相關工作,實驗室包含多臺先進實驗設備:LED在線可靠性測試系統、激光導熱儀、紅外線熱像儀、反射率積分球,熒光分光光度計等,另外實驗室配備了五臺高性能服務器,可供實驗室成員使用,滿足大家大批量仿真的需求。

      熱封裝實驗室(TPL)以育人為本,在緊張繁忙的科研生活之余不忘安排豐富多彩的活動來緩解壓力。實驗室一般每周會組織1-2次籃球賽和羽毛球賽,放松身心、強身健體;逢年過節,實驗室也會組織一些文化活動,增進實驗室成員感情,除此之外,熱封裝實驗室有一項傳統是每年年底舉辦年會,借此機會表彰在這一年中對實驗室做出突出貢獻的TPL成員。

      5.畢業生去向

      萬志敏,2011年碩士畢業,美國喬治亞理工博士,現在美國INTEL工作

      吳步龍,2012年碩士畢業,美國馬里蘭大學博士,現美國蘋果公司工作

      毛章明,2012年碩士畢業,美國賓西法利亞州立大學博士,現在美國CytoChip公司工作

      付星,2014年碩士畢業,現任華為基輔研究所所長

      鄭懷,2014年博士畢業,武漢大學教師,現任副教授

      胡潤,2015年博士畢業,華中科技大學教師,現任副教授

      郭庭輝,2015年博士畢業,華為技術有限公司武漢研究所

      馬金龍,2016年博士畢業,華中科技大學教師,現任講師

      更多實驗室信息,可瀏覽熱封裝實驗室官網tpl.energy.hust.edu.cn

      華中科技大學學生工作部、人民武裝部

      地址:湖北省武漢市洪山區珞喻路1037號 郵編:430074
      聯系電話:027-87542128  傳真:027-87542901

      ICP證號:鄂ICP備030193號

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