新一代TEC半導(dǎo)體制冷片提升產(chǎn)品散熱性

引言：熱管理解決方案有很多，主要分為兩類：主動制冷和被動制冷。主動制冷系統(tǒng)利用基于壓縮機(jī)或固態(tài)熱泵（熱電設(shè)備）來實現(xiàn)制冷到環(huán)境溫度以下。被動熱管理解決方案僅依靠傳導(dǎo)或?qū)α鱽韨鬟f熱量，通常由界面材料、散熱器和風(fēng)扇組成。被動散熱技術(shù)最常用于制冷到環(huán)境溫度已經(jīng)足夠的情況。半導(dǎo)體制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成，所謂珀爾帖效應(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，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。

摻雜的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（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間；當(dāng)有電流從TEC流過時，電流產(chǎn)生的熱量會從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。一對電偶產(chǎn)生的熱電效應(yīng)很小，故在實際中都將上百對熱電偶串聯(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，可以使用多級半導(dǎo)體制冷器，對于常年運行的設(shè)備，增大制冷元件的對數(shù)，盡管增加了一些初成本，但可以獲得較高的制冷系數(shù)。新一代TEC半導(dǎo)體制冷片與其他制冷技術(shù)相比，熱電制冷器組件的優(yōu)勢在于精確的溫度控制、更小體積、更快的升溫速率、更高的效率、更高的可靠性和更低的噪音。

半導(dǎo)體制冷片TEC適用的市場領(lǐng)域：

智能手機(jī)；

平板電腦；

筆記本電腦；

穿戴AR/VR設(shè)備產(chǎn)品；

顯示產(chǎn)品（投影儀、Mini-LED、Micro-LED、激光顯示等）；

工控設(shè)備；

醫(yī)療設(shè)備；

通訊基站；

• 光通訊、光模組；

人工智能AI產(chǎn)品；

物聯(lián)網(wǎng);

半導(dǎo)體激光器；

新能源汽車；

儲能市場；

制冷防護(hù)服裝；

制冷背包；

其他散熱產(chǎn)品......

01TEC技術(shù)

自 1834 年發(fā)現(xiàn)珀爾帖效應(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爾帖效應(yīng)散熱。在運行期間，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)的單級熱電冷卻器可實現(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。對于需要在環(huán)境溫度以下進(jìn)行主動冷卻，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，設(shè)計工程師應(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：就是把制冷對象的熱量帶到熱面。

TEC溫控器的作用：確保制冷對象的溫度工作在目標(biāo)溫度上下：

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

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

散熱裝置：確保制冷片自身不會因為熱面的溫度過高而損壞。

傳感器：獲取目標(biāo)對象的溫度。

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，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點是無運動部件，可靠性也比較高。

電偶，是指由兩個電量相等，距離很近的正負(fù)電荷所組成的一個總體。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)測量溫度的傳感器，是溫度測量儀表中常用的測溫元件. 熱電偶是兩個不同的金屬原件焊接在一起，電流通過時會有壓差，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，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，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，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之間的相對帕爾帖系數(shù) ，單位為［V］， πab為正值時，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。

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價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雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(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。

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。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。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(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)散運動由雜質(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

↓ ↓

內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(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)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。

PN結(jié)加正向電壓時的導(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)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運動的阻礙減弱，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。而實際上電子在通過電場后勢能產(chǎn)生變化，能量轉(zhuǎn)換為各種形勢的表現(xiàn)，而熱量的吸收與散發(fā)都是其表現(xiàn)的一個方面。而半導(dǎo)體制冷片的工作原理實際上就是通過定向電流將熱能定向搬運的過程。

04TEC的優(yōu)勢

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

TEC

1.不需使用任何冷卻劑，可連續(xù)工作，無污染、無動件、無噪音，壽命長，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，并可做為多級的應(yīng)用方式，可使效率更高。3.其冷卻方式為主動冷卻，而能致冷使溫度低于室溫，一般的散熱片為被動冷卻，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)，熱電器件可只對特定之發(fā)熱器件作冷卻，而不必冷卻整個封裝結(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裝置上。

06 TEC產(chǎn)品技術(shù)的難點和挑戰(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)體多級制冷、冷熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等，同時影響半導(dǎo)體制冷的各種因素都是相輔相成的，不是獨立的。所以半導(dǎo)體制冷的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點，但也面臨諸多難點。

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，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)改變它的溫差電動勢率、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勢率、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)體制冷研究的難點問題。
其次，半導(dǎo)體制冷是一個參數(shù)多、工況變化復(fù)雜的過程，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、散熱傳熱等對其影響都很大，采用常規(guī)的針對性實驗方法難以滿足多種需要，并且在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)選擇時需要實驗對比不同工況從而選擇最優(yōu)方案。所以如何選擇和設(shè)計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)計要求。因而冷、熱端散熱也是半導(dǎo)體制冷的又一個困難：即如何強(qiáng)化冷、熱端散熱以及對制冷電堆冷、熱端散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)。
總而言之，半導(dǎo)體制冷的難點在于：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。

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)勢和實用性。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，而材料的優(yōu)值系數(shù)不高導(dǎo)致這些缺點從而是阻礙半導(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)計的研究較少。這使得半導(dǎo)體制冷的設(shè)計多半處于理論計算階段，半導(dǎo)體制冷的實際運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)的停滯影響了整個半導(dǎo)體制冷行業(yè)的發(fā)展，所以運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)體制冷也是一個交叉學(xué)科，需要不同方面的知識相互配合，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。

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?。然而，高功率、高算力?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片所產(chǎn)生的非均勻分布熱點將導(dǎo)致電子器件的熱衰竭，并嚴(yán)重影響其效率、穩(wěn)定、安全運行和使用壽命。當(dāng)手機(jī)芯片滿負(fù)荷工作時，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)報道，降低芯片頻率的 策略會使手機(jī)運行速度變慢約 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。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)熱性將熱量及時導(dǎo)出。VC 液冷是一個內(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，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)域時便會產(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 是一種主動制冷裝置，在電流的驅(qū)動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 的制冷效率將會下降。因此，在應(yīng)用 TEC 時，應(yīng)在其熱端增加散熱設(shè)計。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)實際芯片的熱點分布設(shè)計熱電制冷系統(tǒng)。通常，研究者使用 TEC 時，會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，反而會增加設(shè)備的功耗。因此，設(shè)計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，但目前對于非均勻分布熱點問題的研究還很少。微尺寸( 約 1 mm) 的 TEC 雖然可以針對性地解決該問題，但其設(shè)計和制造過程較為復(fù)雜、造價十分昂貴，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。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。為了保證實驗的真實性，以手機(jī)芯片作為熱源并搭建相應(yīng)的測試環(huán)境，采用開源程序使手機(jī)滿載運行并實時監(jiān)控其芯片利用率。

1 實驗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的溫度場。此外，還構(gòu)建了適用于該芯片模型的小型 TEC 模型，通過多物理場耦合和有限元數(shù)值分析的方法進(jìn)行實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，溫度迅速升高。為解決手機(jī)芯片散熱問題，設(shè)計了基于仿真結(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。通過測量芯片的溫度及芯片利用率來檢驗熱管理系統(tǒng)對手機(jī)芯片的散熱效果。

2 結(jié)果與討論

2. 1 芯片溫度場

為研究芯片滿載時的溫度場分布，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如圖 2 所示。由溫度場模擬結(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 對芯片進(jìn)行制冷?；诂F(xiàn)有工藝，設(shè)計了尺寸為 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，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的方法，以提高制冷效率。

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

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分布，本文探索了導(dǎo)熱層的設(shè)計。添加導(dǎo)熱層后芯片模型的溫度場如圖 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

圖 3( b) 所示為面內(nèi)與面外導(dǎo)熱系數(shù)的比值對芯片溫度的影響。當(dāng)該比值大于 1 時，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，芯片溫度顯著下降，但進(jìn)一步增加面外導(dǎo)熱系數(shù)并不會使芯片溫度發(fā)生太大變化。當(dāng)數(shù)值超過 5 W/( m·℃ ) 時，面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的增加對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，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，芯片的熱點集中在光譜輻射力數(shù)值較大的區(qū)域，熱點的尺寸隨著比值的增加而減小，特別是當(dāng)比值大于 1 時，溫度分布基本是均勻的，有效緩解了熱點分布不均勻的問題。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問題，并使芯片溫度保持在較低的水平，且在實際應(yīng)用中，由于面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的增加對制冷效果的影響比面外導(dǎo)熱系數(shù)更顯著，應(yīng)重點尋找面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)大的導(dǎo)熱層材料。

2. 3 熱沉設(shè)計

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 TEC 是不利的，會降低 TEC 的效率。因此，設(shè)計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 中的溫度場對比可知，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

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，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制冷效果的影響

2. 4 熱管理系統(tǒng)的驗證

基于仿真結(jié)果，設(shè)計了一種高效的 TEC，并應(yīng)用于熱管理系統(tǒng)以檢驗熱管理系統(tǒng)的制冷效果。熱管理系統(tǒng)及測試系統(tǒng)如圖 6 所示，TEC 與仿真模型同尺寸，且擁有 65 對熱電對，最大制冷量為 6. 3 W，相關(guān)參數(shù)如表 3 所示。在實驗中，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，熱沉采用邊長為 45 mm 的矩形薄銅片?？刂破饔糜谡{(diào)節(jié) TEC 的工作狀態(tài)。在測試系統(tǒng)中，采用直流穩(wěn)壓電源為控制器供電，采用多路溫度計監(jiān)控芯片和熱沉的溫度。

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

在測試中，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，對采用被動散熱的芯片進(jìn)行了溫度測量。測試結(jié)果如圖 7 所示。由圖 7( a) 可知，被動散熱的芯片保持在約 40 ℃。當(dāng)使用 TEC 時，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，芯片溫度降至 30 ℃。但隨著時間的推移，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)計了周期性的供電策略，測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，然后在一個小范圍內(nèi)波動。+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，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，否則會影響使用體驗。

圖 7 實測結(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，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 是一種主動制冷裝置，通過調(diào)控輸入電流，制冷量會隨之改變，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，是被動制冷無法企及的。但在帶來可觀制冷量的同時，該器件需要通入 1. 2 A、9. 6 V 的直流電流，這對于小型移動設(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 TEC 制冷效率的影響，基于仿真設(shè)計開發(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 是一種無活動性部件、體積小的主動制冷裝置，為高度集成提供了可能性。另一方面，TEC 制冷量十分可觀，但對于手機(jī)這類需要不斷充電的移動設(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 作者：張錦揚 曹麗莉 繆旻