半導(dǎo)體制冷片TEC提升手機(jī)散熱性能研究

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷片，TIM熱界面材料，熱導(dǎo)率

引言：半導(dǎo)體制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。所謂珀?duì)柼?yīng)，是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。重?fù)诫s的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導(dǎo)體材料，碲化鉍元件采用電串聯(lián)，并且是并行發(fā)熱。TEC包括一些P型和N型對(duì)（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個(gè)陶瓷電極之間；當(dāng)有電流從TEC流過時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量會(huì)從TEC的一側(cè)傳到另一側(cè)，在TEC上產(chǎn)生″熱″側(cè)和″冷″側(cè)，這就是TEC的加熱與制冷原理。

是制冷還是加熱，以及制冷、加熱的速率，由通過它的電流方向和大小來決定。一對(duì)電偶產(chǎn)生的熱電效應(yīng)很小，故在實(shí)際中都將上百對(duì)熱電偶串聯(lián)在一起，所有的冷端集中在一邊，熱端集中在另一邊，這樣生產(chǎn)出用于實(shí)際的制冷器。如果在應(yīng)用中需要的制冷或加熱量較大，可以使用多級(jí)半導(dǎo)體制冷器，對(duì)于常年運(yùn)行的設(shè)備，增大制冷元件的對(duì)數(shù)，盡管增加了一些初成本，但可以獲得較高的制冷系數(shù)。

01TEC技術(shù)

自 1834 年發(fā)現(xiàn)珀?duì)柼?yīng)以來，固態(tài)熱泵就一直存在。幾十年前，隨著先進(jìn)半導(dǎo)體熱電偶材料以及陶瓷基板組合技術(shù)的發(fā)展，這種固態(tài)熱泵開始商業(yè)化。熱電冷卻器是一種固態(tài)熱泵，需要熱交換器通過珀?duì)柼?yīng)散熱。在運(yùn)行期間，直流電流經(jīng)過熱電冷卻器以在陶瓷基板上產(chǎn)生熱傳輸和溫差，導(dǎo)致熱電冷卻器的一側(cè)變冷，而另一側(cè)變熱。標(biāo)準(zhǔn)的單級(jí)熱電冷卻器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 70°C 的溫差。

標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器的幾何尺寸從 2 x 2 毫米到 62 x 62 毫米不等。由于具有較小尺寸與較輕的重量，使熱電元件成為幾何空間和重量要求受限應(yīng)用的理想選擇。與熱電技術(shù)相比，傳統(tǒng)的基于壓縮機(jī)系統(tǒng)等冷卻技術(shù)通常體積和重量更大。熱電冷卻器還可以用作發(fā)電機(jī)，將廢熱轉(zhuǎn)換為可用的輸出直流電。對(duì)于需要在環(huán)境溫度以下進(jìn)行主動(dòng)冷卻，且冷卻能力要求小于600瓦的應(yīng)用，熱電設(shè)備是理想的選擇。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括精確溫度控制、高可靠性、緊湊幾何尺寸、較輕重量和環(huán)保要求等因素時(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該考慮熱電冷卻器。

02 TEC產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

制冷片的作用：就是把制冷對(duì)象的熱量帶到熱面。

TEC溫控器的作用：確保制冷對(duì)象的溫度工作在目標(biāo)溫度上下：

當(dāng)目標(biāo)對(duì)象的溫度高于目標(biāo)溫度是，給制冷片通電，讓制冷片把目標(biāo)對(duì)象的溫度帶走；

當(dāng)目標(biāo)對(duì)象的溫度低于某個(gè)溫度時(shí)，停止供電或反向供電，提高目標(biāo)對(duì)象的溫度。

散熱裝置：確保制冷片自身不會(huì)因?yàn)闊崦娴臏囟冗^高而損壞。

傳感器：獲取目標(biāo)對(duì)象的溫度。

03TEC工作原理

半導(dǎo)體制冷片是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置，于1960年左右才出現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。

電偶，是指由兩個(gè)電量相等，距離很近的正負(fù)電荷所組成的一個(gè)總體。正電荷稱為電偶的電源，負(fù)電荷稱為電偶的電穴。熱電偶 thermocouple：熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)測(cè)量溫度的傳感器，是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件. 熱電偶是兩個(gè)不同的金屬原件焊接在一起，電流通過時(shí)會(huì)有壓差，用壓差來顯示溫度。即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時(shí)，在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量，而另一個(gè)接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時(shí)，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度I［A］成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)，即：

πab稱做導(dǎo)體A和B之間的相對(duì)帕爾帖系數(shù) ，單位為［V］， πab為正值時(shí)，表示吸熱，反之為放熱，由于吸放熱是可逆的，所以πab=－πab。金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱，而半導(dǎo)體材料則要強(qiáng)得多，因而得到實(shí)際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。

1.N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

?

2.P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

3.PN結(jié)

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì)，分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程：

因濃度差

↓

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

↓

空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場(chǎng)

↓ ↓

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示。

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。而實(shí)際上電子在通過電場(chǎng)后勢(shì)能產(chǎn)生變化，能量轉(zhuǎn)換為各種形勢(shì)的表現(xiàn)，而熱量的吸收與散發(fā)都是其表現(xiàn)的一個(gè)方面。而半導(dǎo)體制冷片的工作原理實(shí)際上就是通過定向電流將熱能定向搬運(yùn)的過程。

04TEC的優(yōu)勢(shì)

TEC 熱電致冷器11個(gè)優(yōu)點(diǎn)：不需使用任何冷卻劑，既能致冷，又能加熱，主動(dòng)冷卻,適合局部冷卻(spot cooling),具發(fā)電能力(溫差發(fā)電)等優(yōu)點(diǎn)

TEC

1.不需使用任何冷卻劑，可連續(xù)工作，無污染、無動(dòng)件、無噪音，壽命長(zhǎng)，安裝容易，且體積小重量輕，維護(hù)容易。2.具有兩種功能，既能致冷，又能加熱(效率高)，透過改變電流方向達(dá)冷卻或加熱兩種不同目的，并可做為多級(jí)的應(yīng)用方式，可使效率更高。3.其冷卻方式為主動(dòng)冷卻，而能致冷使溫度低于室溫，一般的散熱片為被動(dòng)冷卻，溫度需要高于環(huán)境才有散熱功能。若于熱電器件之熱端接上相同的散熱片，因熱電器件為主動(dòng)冷卻，不斷帶走冷端的熱量，所以冷端可以低于室溫，可做為高發(fā)熱功率之電子器件冷卻之用，對(duì)于器件的性能提升有很大的幫助。4.為電流換能型器件，透過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，尤其體積小，效率高，非常適合于光通訊器件如AWG、Transceiver等器件、紅外sensor，以及Bio-MEMS器件之精密溫度控制。5.適合局部冷卻(spot cooling)，熱電器件可只對(duì)特定之發(fā)熱器件作冷卻，而不必冷卻整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)，可節(jié)省耗電并增加效率。6.其熱慣性非常小，致冷致熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載情況下，通電不到一分鐘，就能達(dá)到最大溫差。7.具發(fā)電能力(溫差發(fā)電)，若在熱電器件兩面建立溫差，則可產(chǎn)生直流電，適用于中低溫區(qū)發(fā)電，如Seiko 公司的體溫發(fā)電腕表等。8.單串熱電器件作的功率很小，但用同類型的熱電堆組合成熱電堆串，采并聯(lián)方式組合成一個(gè)大系統(tǒng)，功率就可以做的很大，由幾毫瓦到上萬瓦的范圍都有可能。9.其溫差范圍，由+90℃到-130℃之間均可達(dá)成。10.冷卻速度快，其速度可透過調(diào)節(jié)工作電壓控制，且工作電流或電壓的精度要求不高。如額定12V 電壓，實(shí)際可使用到8~14V。11.不受重力和方向影響，因熱電器件不需循環(huán)流體，故不受重力和方向的影響，適合應(yīng)用在航天工業(yè)上。NASA應(yīng)用此技術(shù)提供幾百瓦的電力于太空探測(cè)裝置上。

05TEC產(chǎn)品類型及應(yīng)用

06 TEC產(chǎn)品技術(shù)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體制冷的研究涉及傳熱學(xué)原理、熱力學(xué)定律以及帕爾貼效應(yīng)，還要考慮多種因素如材料的優(yōu)值系數(shù)、半導(dǎo)體多級(jí)制冷、冷熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，同時(shí)影響半導(dǎo)體制冷的各種因素都是相輔相成的，不是獨(dú)立的。所以半導(dǎo)體制冷的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，但也面臨諸多難點(diǎn)。
首先，半導(dǎo)體制冷材料性能的優(yōu)劣取決于其半導(dǎo)體制冷優(yōu)值系數(shù)Z。構(gòu)成半導(dǎo)體制冷材料優(yōu)值系數(shù)的三個(gè)參數(shù)塞貝克系數(shù)(α)、電導(dǎo)率(σ)和熱導(dǎo)率(K)都是溫度的函數(shù)。與此同時(shí)，優(yōu)值系數(shù)又敏感地依賴于材料種類、組分、摻雜水平和結(jié)構(gòu)。能適合半導(dǎo)體制冷的半導(dǎo)體材料不僅要混合地加入少量雜質(zhì)改變它的溫差電動(dòng)勢(shì)率、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率，而且還應(yīng)該具有半導(dǎo)體本身特性，做到既要保持原來半導(dǎo)體的傳統(tǒng)半導(dǎo)體特性又要使它具有好的溫差電動(dòng)勢(shì)率、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率存在較大的困難，所以，高優(yōu)值系數(shù)的研究一直是半導(dǎo)體制冷研究的難點(diǎn)問題。
其次，半導(dǎo)體制冷是一個(gè)參數(shù)多、工況變化復(fù)雜的過程，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、散熱傳熱等對(duì)其影響都很大，采用常規(guī)的針對(duì)性實(shí)驗(yàn)方法難以滿足多種需要，并且在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇時(shí)需要實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同工況從而選擇最優(yōu)方案。所以如何選擇和設(shè)計(jì)研究過程和方案就顯得重要，而整體分析又把問題變得復(fù)雜起來。
再者，根據(jù)傳熱學(xué)原理、熱力學(xué)定律以及帕爾貼效應(yīng)可知，半導(dǎo)體制冷過程中冷、熱端的溫度差對(duì)半導(dǎo)體制冷的熱量和冷量的傳遞有極大的影響，兩端換熱性能差，就會(huì)大幅度地減小同等功率下的制冷能力，若熱端散熱效果差，往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因而冷、熱端散熱也是半導(dǎo)體制冷的又一個(gè)困難：即如何強(qiáng)化冷、熱端散熱以及對(duì)制冷電堆冷、熱端散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。
總而言之，半導(dǎo)體制冷的難點(diǎn)在于：高優(yōu)值系數(shù)的材料，復(fù)雜的多參數(shù)以及冷熱端散熱的設(shè)計(jì)。雖然半導(dǎo)體制冷的研究面臨諸多困難，但是可以欣喜地看到當(dāng)前研究仍然呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。到目前為止，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從不同角度去提高半導(dǎo)體的制冷效率，展現(xiàn)出各自的優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性。但是半導(dǎo)體制冷的研究當(dāng)前還存在以下問題。
（1）半導(dǎo)體制冷要想達(dá)到機(jī)械壓縮制冷相當(dāng)?shù)闹评湫?，材料的?yōu)值系數(shù)就必須提高。然而，直到現(xiàn)在，科學(xué)家對(duì)半導(dǎo)體制冷材料的研究并未有很大突破。半導(dǎo)體制冷溫差較小和制冷系數(shù)不高是半導(dǎo)體制冷的最大缺點(diǎn)，而材料的優(yōu)值系數(shù)不高導(dǎo)致這些缺點(diǎn)從而是阻礙半導(dǎo)體制冷發(fā)展的最主要因素，因此半導(dǎo)體材料的性能即優(yōu)值系數(shù)Z還有待于進(jìn)一步的提高。
（2）有關(guān)冷、熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。這使得半導(dǎo)體制冷的設(shè)計(jì)多半處于理論計(jì)算階段，半導(dǎo)體制冷的實(shí)際運(yùn)行效果不能得到很好的保證。所以要不斷深入進(jìn)行半導(dǎo)體制冷器模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究。
（3）相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)與手段的引用較少，材料的優(yōu)值系數(shù)的停滯影響了整個(gè)半導(dǎo)體制冷行業(yè)的發(fā)展，所以運(yùn)用包括新理論和新技術(shù)來研究和完善就變得非常重要。半導(dǎo)體制冷也是一個(gè)交叉學(xué)科，需要不同方面的知識(shí)相互配合，共同進(jìn)步。
（4）隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品器件的尺寸有的越來越大，有的越來越小，有的狀況越來越復(fù)雜，需要考慮多種因素。這樣如何解決大功率半導(dǎo)體多級(jí)制冷的優(yōu)化問題、小尺寸器件的局部散熱問題和多因素的半導(dǎo)體熱電能量轉(zhuǎn)換問題就成為今后不斷努力研究的內(nèi)容。

07 新開發(fā)產(chǎn)品：鋁基板替代陶瓷基板TEC半導(dǎo)體制冷片

摘要：為解決智能手機(jī)使用的大功率芯片中非均勻分布熱點(diǎn)的散熱問題，本文采用手機(jī)芯片作為熱源，利用軟件使手機(jī)滿載工作以模擬實(shí)際的高溫場(chǎng)景，采用具有各向異性導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱層和用于小型散熱系統(tǒng)的熱沉以提高熱電制冷器的制冷效率， 在此基礎(chǔ)上建立了制冷效率可控的熱管理系統(tǒng)。此外，為減少熱電制冷器熱端的熱量積累，設(shè)計(jì)了一種周期性電源控制器。結(jié)果表明: 熱管理系統(tǒng)將芯片溫度從 48 ℃降至 34 ℃，提高了約 20%的滿載芯片利用率，有效提升了手機(jī)流暢度，為解決非均勻分布熱點(diǎn)的散熱問題提供了指導(dǎo)。

隨著科技的發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧Ｈ欢?，高功率、高算力的芯片所產(chǎn)生的非均勻分布熱點(diǎn)將導(dǎo)致電子器件的熱衰竭，并嚴(yán)重影響其效率、穩(wěn)定、安全運(yùn)行和使用壽命。當(dāng)手機(jī)芯片滿負(fù)荷工作時(shí)，如果芯片的溫度不能有效降低，芯片就必須采取降頻策略來降低芯片的溫度，以防止芯片損壞。據(jù)報(bào)道，降低芯片頻率的 策略會(huì)使手機(jī)運(yùn)行速度變慢約 3 倍。為了調(diào)控芯片溫度，手機(jī)需要配套的制冷系統(tǒng)，且該制冷系統(tǒng)須滿足高集成度和高散熱量的特點(diǎn)。大多數(shù)手機(jī)散熱技術(shù)如石墨烯散熱技術(shù)、真空腔均熱板散熱技術(shù)( VC 液冷) ，均為被動(dòng)散熱技術(shù)。石墨烯散熱技術(shù)是依靠石墨烯良好的導(dǎo)熱性將熱量及時(shí)導(dǎo)出。VC 液冷是一個(gè)內(nèi)壁具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的真空腔體，通常由銅制成。當(dāng)熱量由熱源傳導(dǎo)至 VC 腔體時(shí)，腔體里的冷卻液受熱后開始產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，液體汽化吸熱，當(dāng)氣相工質(zhì)接觸到較冷的區(qū)域時(shí)便會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象，借由凝結(jié)釋放出之前吸收的熱量。凝結(jié)后的冷卻液會(huì)借由微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管道再回到蒸發(fā)熱源處，該過程將在腔體內(nèi)周而復(fù)始進(jìn)行。VC 液冷原理上類似于熱管，散熱效果提升有限，且散熱能力受環(huán)境溫度影響較大。熱電制冷器( thermoelectric cooler，TEC) 是一種體積小、制冷量高的主動(dòng)制冷器件，在手機(jī)制冷方面具有很高的應(yīng)用前景。

TEC 是一種主動(dòng)制冷裝置，在電流的驅(qū)動(dòng)下可以將熱量從制冷器的冷端傳遞至熱端。然而，隨著熱量在 TEC 熱端迅速積累，熱端溫度升高，TEC 的制冷效率將會(huì)下降。因此，在應(yīng)用 TEC 時(shí)，應(yīng)在其熱端增加散熱設(shè)計(jì)。H． S． Huang 等采用循環(huán)水冷 系統(tǒng)作為 TEC 熱端散熱裝置，該制冷系統(tǒng)比傳統(tǒng)水 冷系統(tǒng)的制冷效率更高。Wang Jing 等提出一種 將 TEC 和電暈風(fēng)冷系統(tǒng)耦合的制冷裝置。+vx：fggc08 S． AlShehri 等開發(fā)了一種應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片的熱管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，TEC 熱端溫度由熱沉和風(fēng)扇的組合進(jìn)行調(diào)控。但該制冷系統(tǒng)體積較大，難以應(yīng)用于手機(jī)制冷系統(tǒng)。此外，在上述研究中，熱源均以恒定發(fā)熱體替代，且大多為溫度分布均勻的熱源。因此，有必要根據(jù)實(shí)際芯片的熱點(diǎn)分布設(shè)計(jì)熱電制冷系統(tǒng)。通常，研究者使用 TEC 時(shí)，會(huì)將其冷端直接附著在熱源表面，這種直接連接的方式并不能充分發(fā)揮熱電制冷器的制冷效率，反而會(huì)增加設(shè)備的功耗。因此，設(shè)計(jì)熱源與冷端之間的導(dǎo)熱層是提高熱電制冷系統(tǒng)制冷效率的最有效途徑。利用 TEC 解決微芯片散熱問題的研究逐漸受到關(guān)注，但目前對(duì)于非均勻分布熱點(diǎn)問題的研究還很少。微尺寸( 約 1 mm) 的 TEC 雖然可以針對(duì)性地解決該問題，但其設(shè)計(jì)和制造過程較為復(fù)雜、造價(jià)十分昂貴，短期內(nèi)還不能用于手機(jī)芯片制冷。因此，本文將采用小尺寸 ( 12. 1 mm×11. 2 mm) TEC 構(gòu)建熱管理系統(tǒng)。

為增強(qiáng) TEC 在小空間中的制冷效果，本文基于有限元仿真，對(duì)熱電制冷系統(tǒng)中各向異性導(dǎo)熱層和熱端熱沉進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真結(jié)果，建立了基于 TEC 的熱管理系統(tǒng)，并采用周期性供電系統(tǒng)來降低熱沉溫度和功耗。為了保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，以手機(jī)芯片作為熱源并搭建相應(yīng)的測(cè)試環(huán)境，采用開源程序使手機(jī)滿載運(yùn)行并實(shí)時(shí)監(jiān)控其芯片利用率。

1 實(shí)驗(yàn)1.1 基于 Peltier 效應(yīng)的熱電制冷器

構(gòu)建了如圖 1 所示的芯片模型，該模型參考一般芯片的微結(jié)構(gòu)，由不同材料堆疊而成的多層組合。各層模型的尺寸如表 1 所示，模型中的所有材料參數(shù)均為實(shí)際材料的平均屬性，如表 2 所示。該模型用于研究芯片滿載時(shí)的溫度場(chǎng)。此外，還構(gòu)建了適用于該芯片模型的小型 TEC 模型，通過多物理場(chǎng)耦合和有限元數(shù)值分析的方法進(jìn)行實(shí)體建模和單因素分析，以指導(dǎo) TEC 在手機(jī)芯片制冷中的應(yīng)用。

圖 1 芯片模型及網(wǎng)格劃分表 1 芯片模型尺寸

1.2 熱管理系統(tǒng)

手機(jī)滿負(fù)荷工作時(shí)，溫度迅速升高。為解決手機(jī)芯片散熱問題，設(shè)計(jì)了基于仿真結(jié)果的熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由 TEC、控制器、熱沉和電源組成。TEC 的冷端與芯片通過導(dǎo)熱層相連，熱端與銅制熱沉相連。電源和控制器為 TEC 提供可控能源。通過測(cè)量芯片的溫度及芯片利用率來檢驗(yàn)熱管理系統(tǒng)對(duì)手機(jī)芯片的散熱效果。

2 結(jié)果與討論

2. 1 芯片溫度場(chǎng)

為研究芯片滿載時(shí)的溫度場(chǎng)分布，建立了芯片仿真模型。芯片的基板和填充物的網(wǎng)格尺寸為 0. 5 mm，其余結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸為 0. 2 mm。在本仿真中，+vx：fggc08 環(huán)境溫度設(shè)置為 25 ℃，對(duì)流傳熱系數(shù)設(shè)置為 300 W/( m2·℃ ) ; 外部硅層 A 的光譜輻射力設(shè)置為 2. 5 W/mm3，外部硅層 B 的光譜輻射力設(shè)置為 0. 05 ～ 3 W/mm3，非均勻分布。TEC 模型及芯片模型溫度場(chǎng)如圖 2 所示。由溫度場(chǎng)模擬結(jié)果( 圖 2( a) ) 可知， 硅層的溫度最高，最高溫度達(dá)到 102. 8 ℃，這將破壞 手機(jī)的大部分電子器件。為降低芯片溫度，采用 TEC 對(duì)芯片進(jìn)行制冷?；诂F(xiàn)有工藝，設(shè)計(jì)了尺寸為 12. 1 mm×11. 2 mm×1. 95 mm 的塊狀熱電器件( 圖 2 ( b) ) 。由圖 2( c) 可知，當(dāng)環(huán)境溫度為 25 ℃ 時(shí)，TEC 輸入電流設(shè)置為 300 mA，芯片的最高溫度降至 72. 5 ℃，TEC 成功地將芯片的熱轉(zhuǎn)移至熱端。但如圖 2 ( c) 中截面圖所示，芯片溫度呈現(xiàn)非均勻分布，TEC 的冷端溫度也呈現(xiàn)相同的分布。因此，本文將探索一 種解決非均勻分布熱點(diǎn)的方法，以提高制冷效率。

圖 2 TEC 模型及芯片模型溫度場(chǎng)2. 2 導(dǎo)熱層設(shè)計(jì)

上述結(jié)果表明，TEC 的引入降低了芯片的溫度， 但還未能解決熱點(diǎn)分布不均勻的問題。為了提高制冷系統(tǒng)的效率并改善芯片溫度場(chǎng)分布，本文探索了導(dǎo)熱層的設(shè)計(jì)。添加導(dǎo)熱層后芯片模型的溫度場(chǎng)如圖 3 所示。如圖 3( a) 所示，導(dǎo)熱層是一片厚度為 0. 1 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為 1 W/( m·℃ ) 的薄片，導(dǎo)熱層的加入 進(jìn)一步降低了芯片的溫度，但熱分布的均勻性并未得到很大的改善。因此，改變了導(dǎo)熱層的面外與面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，試圖影響熱傳導(dǎo)的過程，從而改善芯片的熱分布。

圖 3 添加導(dǎo)熱層后芯片模型的溫度場(chǎng)

圖 3( b) 所示為面內(nèi)與面外導(dǎo)熱系數(shù)的比值對(duì)芯片溫度的影響。當(dāng)該比值大于 1 時(shí)，芯片溫度降幅較 大，且在相同比例下，隨著面外導(dǎo)熱系數(shù)的增大，降溫幅度也在增大。當(dāng)面外導(dǎo)熱系數(shù)從 1 W/( m·℃ ) 增 至 5 W/( m·℃ ) 時(shí)，芯片溫度顯著下降，但進(jìn)一步增加面外導(dǎo)熱系數(shù)并不會(huì)使芯片溫度發(fā)生太大變化。當(dāng)數(shù)值超過 5 W/( m·℃ ) 時(shí)，面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的增加對(duì)制冷效果的影響比面外導(dǎo)熱系數(shù)更顯著。

由圖 3( c) 可知，當(dāng)面外導(dǎo)熱系數(shù)為 60 W/( m·℃) 時(shí)，芯片溫度隨面內(nèi)面外導(dǎo)熱系數(shù)比值的增加而降低。此外，芯片的熱點(diǎn)集中在光譜輻射力數(shù)值較大的區(qū)域，熱點(diǎn)的尺寸隨著比值的增加而減小，特別是當(dāng)比值大于 1 時(shí)，溫度分布基本是均勻的，有效緩解了熱點(diǎn)分布不均勻的問題。提高導(dǎo)熱系數(shù)可使芯片溫度分布更均勻，有效緩解了分布式熱點(diǎn)問題，并使芯片溫度保持在較低的水平，且在實(shí)際應(yīng)用中，由于面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的增加對(duì)制冷效果的影響比面外導(dǎo)熱系數(shù)更顯著，應(yīng)重點(diǎn)尋找面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)大的導(dǎo)熱層材料。

2. 3 熱沉設(shè)計(jì)

由 2. 2 節(jié)的仿真結(jié)果可知，雖然芯片溫度降低 了，+vx：fggc08 但 TEC 的熱端溫度非常高( 約 100 ℃ ) ，這對(duì) TEC 是不利的，會(huì)降低 TEC 的效率。因此，設(shè)計(jì)了一種小尺寸的熱沉以降低熱端溫度。圖 4 所示為添加熱沉后的溫度分布，熱沉為導(dǎo)熱系數(shù)為 400 W/( m·℃ ) 的矩形塊體，此外，2. 2 節(jié)設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱層面外導(dǎo)熱系數(shù)為 60 W/( m·℃) 、面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為 1 800 W/( m·℃) 。與圖 3 中的溫度場(chǎng)對(duì)比可知，增加了熱沉后 TEC 熱端溫度得到降低，芯片溫度隨熱端溫度的降低而進(jìn)一步降低。結(jié)果表明，熱沉對(duì)熱電制冷系統(tǒng)的制冷效果非常重要。為進(jìn)一步優(yōu)化制冷效果，對(duì)不同尺寸的熱沉進(jìn)行了研究。

圖 4 帶 TEC、導(dǎo)熱層和熱沉模型溫度場(chǎng)

圖 5 所示為改變熱沉厚度及其底面面積后芯片和熱沉溫度的變化，可知，溫度隨熱沉厚度和面積的增加而降低?？紤]到熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)是小型電子設(shè)備，仿真中熱沉厚度的變化范圍較小。在相同底面面積下，熱沉厚度從 0. 5 mm 增 至 1. 5 mm，芯片溫度的下降不超過 1 ℃ ，熱沉溫度下降不超過 2 ℃ 。而在厚度相同的情況下，當(dāng)熱沉底面面積從 98 mm2增至 1800 mm2時(shí)，芯片溫度下降超過 18 ℃ ，熱沉溫度下降超過 45 ℃ 。結(jié)果表明，在小型電子設(shè)備中，增加熱沉面積可以進(jìn)一步提高 TEC 的制冷效率。

圖 5 熱沉厚度和底面面積對(duì)制冷效果的影響

2. 4 熱管理系統(tǒng)的驗(yàn)證

基于仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種高效的 TEC，并應(yīng)用于熱管理系統(tǒng)以檢驗(yàn)熱管理系統(tǒng)的制冷效果。熱管理系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)如圖 6 所示，TEC 與仿真模型同尺寸，且擁有 65 對(duì)熱電對(duì)，最大制冷量為 6. 3 W，相關(guān)參數(shù)如表 3 所示。在實(shí)驗(yàn)中，熱管理系統(tǒng)由帶有導(dǎo)熱 層的 TEC、熱沉和控制器( Arduino UNO 開發(fā)板及其 外圍電路) 組成。TEC 的冷端以導(dǎo)熱硅膠與導(dǎo)熱層連接，再貼合在手機(jī)芯片上，最后，將熱沉附在 TEC 的熱側(cè)。導(dǎo)熱層采用石墨烯復(fù)合膜，該產(chǎn)品具有膠面，+vx：fggc08 便于直接貼附在手機(jī)芯片表面并且可以起到聯(lián)接 TEC 的作用; 根據(jù)出廠參數(shù)可知，導(dǎo)熱層面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù) 為 1500 W/( m·℃) ，面外導(dǎo)熱系數(shù)為 60 W/( m·℃) 。此外，熱沉采用邊長(zhǎng)為 45 mm 的矩形薄銅片。控制器用于調(diào)節(jié) TEC 的工作狀態(tài)。在測(cè)試系統(tǒng)中，采用直流穩(wěn)壓電源為控制器供電，采用多路溫度計(jì)監(jiān)控芯片和熱沉的溫度。

圖 6 熱管理系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)表 3 TEC 參數(shù)

在測(cè)試中，利用應(yīng)用程序使芯片滿負(fù)荷工作，并通過 TEC 系統(tǒng)調(diào)控芯片的溫度。由于芯片的自主保護(hù)策略，芯片的利用率在較高的溫度下會(huì)受到限制以防止芯片熱衰竭，隨著芯片溫度的下降限制將逐漸解除。此外，對(duì)采用被動(dòng)散熱的芯片進(jìn)行了溫度測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖 7 所示。由圖 7( a) 可知，被動(dòng)散熱的芯片保持在約 40 ℃。當(dāng)使用 TEC 時(shí)，芯片溫度隨著電流的增加而迅速下降，當(dāng) TEC 通入的電流達(dá)到 300 mA 時(shí)，芯片溫度降至 30 ℃。但隨著時(shí)間的推移，芯片的溫度逐漸升高。此外，如圖 7( c) 中紫色線條結(jié)果所示，熱沉的溫度急劇上升，這表明熱沉在快速積累熱量，即 TEC 熱端溫度快速上升，導(dǎo)致制冷效率的下降和芯片溫度的上升。為了解決熱積累問題，為 TEC 設(shè)計(jì)了周期性的供電策略，測(cè)量芯片和熱沉在不同占空比下的溫度。如圖 7( b) 所示，芯片的溫度迅速下降，然后在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)。+vx：fggc08 隨著供電周期占空比的減小，芯片溫度在達(dá)到最低溫度后趨于穩(wěn)定。但當(dāng)占空比小于 50% 時(shí)，芯片溫度超過 38 ℃，散熱效率較差。如圖 7( c) 所示，在 TEC 不工作的情況下，熱沉溫度為 36. 9 ℃。在 TEC 開始工作后，熱沉溫度迅速上升，導(dǎo)致 TEC 冷卻效果逐漸下降，芯片溫度升高。溫升速率隨占空比的減小而減小，說明減小占空比可以優(yōu)化 TEC 的應(yīng)用效果。由于手機(jī)是手持設(shè)備，熱沉的溫度需要控制到一定程度，否則會(huì)影響使用體驗(yàn)。

圖 7 實(shí)測(cè)結(jié)果

通過手機(jī)應(yīng)用監(jiān)控芯片利用率，結(jié)果如圖 7( d) 所示。在連續(xù)輸入 300 mA 電流的情況下，芯片的利用率先快速增加后持續(xù)下降。而采用周期性供電策略時(shí)，雖然降低了芯片的最大利用率，但提高了芯片的穩(wěn)定性。+vx：fggc08 此外，綜合考慮散熱效果和熱沉的溫度，采用占空比為 75%的周期電源是制冷效果最為良好且穩(wěn)定的策略。結(jié)果表明，采用基于 TEC 的熱管理系統(tǒng)降低了芯片溫度，提高了芯片利用率，提高了手機(jī)的流暢性。

TEC 是一種主動(dòng)制冷裝置，通過調(diào)控輸入電流，制冷量會(huì)隨之改變，為精確調(diào)控目標(biāo)溫度奠定了基礎(chǔ)。本文中采用的器件，其制冷量可達(dá)到 6. 3 W，是被動(dòng)制冷無法企及的。但在帶來可觀制冷量的同時(shí)，該器件需要通入 1. 2 A、9. 6 V 的直流電流，這對(duì)于小型移動(dòng)設(shè)備是較大的負(fù)荷，因此，采用周期性供電策略，一方面減少了 TEC 熱端熱量的積累，另一方面減少了約 25%電功耗。

3 結(jié)論

本文通過有限元分析方法討論了導(dǎo)熱層和熱沉對(duì) TEC 制冷效率的影響，基于仿真設(shè)計(jì)開發(fā)了用于手機(jī)芯片的熱電型熱管理系統(tǒng)，得到如下結(jié)論:

1) 在 TEC 與熱點(diǎn)的接觸面中添加導(dǎo)熱層可以降低芯片溫度，且導(dǎo)熱層的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)越大，芯片的溫度分布越均勻。

2) 在 TEC 熱端添加熱沉可以有效降低 TEC 熱端的溫度，從而提高 TEC 的制冷效果; 熱沉面積越大，制冷效果提升越大，但在 0. 5 ～ 1. 5 mm 范圍內(nèi)熱沉厚度的變化對(duì)制冷效果影響較小。

3) 室溫條件下，使用周期性供電策略，可以在不降低 TEC 響應(yīng)速率的前提下有效降低 TEC 熱端的熱 積累速率。

4) 該熱管理系統(tǒng)能使手機(jī)芯片的溫度降至 34 ℃，成功解決了手機(jī)芯片的散熱問題。與傳統(tǒng)的手機(jī)散熱方案相比，基于 TEC 的熱管理系統(tǒng)散熱效率高，可控性好，還可以用于解決各種小芯片散熱問題。

TEC 是一種無活動(dòng)性部件、體積小的主動(dòng)制冷裝置，為高度集成提供了可能性。另一方面，TEC 制冷量十分可觀，但對(duì)于手機(jī)這類需要不斷充電的移動(dòng)設(shè)備，TEC 制的功耗較大，在今后的工作中需要深入探索，進(jìn)一步優(yōu)化制冷系統(tǒng)的能耗，在能耗和高效制冷之間尋求最佳平衡。

來源：制冷學(xué)報(bào)

作者：張錦揚(yáng) 曹麗莉 繆旻