微电子芯片热电冷却系统的传热特性
纳米流体在微通道中的传热特性研究
纳米流体在微通道中的传热特性研究纳米流体是指含有纳米粒子的流体，具有较高的传热性能和流体动力学特性。
近年来，随着纳米材料的发展和应用，纳米流体在微通道中的传热特性研究成为热力学和微流体力学领域的热点之一。
本文将探讨纳米流体在微通道中的传热特性以及其应用前景。
首先，纳米流体在微通道中具有较高的传热性能。
纳米粒子的加入能够增加流体的导热性能，提高热传导率。
通过调整纳米粒子的种类、浓度和尺寸等参数，可以实现对导热性能的调控。
此外，纳米流体还具有较高的比表面积，使得流体与微通道壁面之间的热传递更为充分，进一步提高传热效率。
其次，纳米流体的流体动力学特性在微通道中也发挥重要作用。
纳米粒子的加入可以改变流体的黏性和流动性，在微通道中产生新的流体行为。
例如，纳米流体的雷诺数过渡区较大，呈现出非线性、剥离和再注入等复杂的流动现象。
这些特殊的流体动力学行为既对传热特性的研究提出了挑战，同时也为微流体混合器、分离器、微反应器等微流体器件的设计提供了新的思路和方法。
纳米流体在微通道中的传热特性研究不仅在基础学科上有重要意义，也对实际应用具有广泛的潜力。
首先，纳米流体的高传热性能使其成为微电子器件冷却技术的有力候选。
随着集成电路尺寸的不断缩小，电子器件的功耗急剧增加，需要更加高效的散热方式。
纳米流体的良好导热性能和可调控的流动性质可以实现对微电子器件的快速、均匀散热，提高器件的可靠性和寿命。
其次，纳米流体在能源领域的应用也引起了广泛关注。
纳米流体的高热传导率和可调控的流态特性使其在太阳能集热器、燃料电池、换热器等领域具有广阔的应用前景。
例如，利用纳米流体在微通道中的优良传热性能，可以提高太阳能集热器的热转换效率，实现更高效的太阳能利用。
此外，纳米流体在生物医学领域的应用也备受瞩目。
纳米流体的高比表面积和可控的流动性质使其成为药物传递和细胞操作的有力工具。
通过设计合适的纳米流体体系，可以实现药物的快速、均匀释放，提高疗效。
微小尺度沸腾传热及其在微流道冷却中的应用
微小尺度沸腾传热及其在微流道冷却中的应用随着微电子技术的发展，微型电子元器件的集成度和功率密度不断提高，需要更有效的散热技术来保障芯片的正常工作。
微小尺度沸腾传热作为一种高效散热技术，备受关注。
本文将介绍微小尺度沸腾传热的基本原理、特性及其在微流道冷却中的应用。
一、微小尺度沸腾传热的基本原理微小尺度沸腾传热是指液体在微米尺度下形成气泡群，并在液体/气体界面上快速生成和消失，以获得高效的传热过程。
当热表面温度高于液体饱和温度时，液体接触表面因蒸气的产生而被局部蒸发，产生微米级别的气泡，并在液体中迅速增大和减小，形成液体效应的强烈机械振动，在温度的不断变化下，气泡膨胀和收缩，使热表面迅速传递热量。
这种微小尺度下产生的气泡群则会大大增加液体的的空气透明度，提高了热量的传递速度和效率。
二、微小尺度沸腾传热的特性1、高传热系数微小尺度沸腾传热的传热系数比传统传热机制高出数倍甚至数十倍，可以实现高效的热量传递。
比如，在空气冷却器的应用中，微小尺度沸腾传热的传热系数达到200 000 W/m2K，远高于传统的对流传热。
2、低气阻在微小尺度下，沸腾传热产生的气泡群大小小于1微米，能够充分利用微流道的空间，使气阻小，可以在狭小空间中有效地传热。
3、泡点高微小尺度下，沸腾过程中气泡的初始大小和尺寸对传热性能有很大影响。
实验证明，微小尺度沸腾传热的泡点比传统的沸腾传热高，能够减少对应用系统的影响。
三、微小尺度沸腾传热在微流道冷却中的应用1、电子元器件冷却微小尺度沸腾传热被广泛应用于电子元器件冷却中，如CPU、GPU等。
通过微流道芯片的内部进行大功率元器件的传热和散热，可以将功率密度大大提高。
2、能源回收在燃气泄漏或者高温烟气排放等场景中，微小尺度沸腾传热被用于能量回收。
通过将烟气进行冷却，沸腾传热将热量转换成为蒸汽，使能源回收更加高效。
3、生物医学领域微小尺度沸腾传热可以用于生物医学领域的变温培养，可以快速有效地降低培养液的温度，并且可以有效地杀菌消毒。
微热管在电子器件冷却中的应用汇总
微热管在电子器件冷却中的应用摘要：电子器件冷却问题是电子器件热设计中的一个关键问题。
简单介绍了几种目前最新颖的微热管在高热流密度电子器件冷却中的应用，包括平板热管、圆棒热管和电流体动力热管。
并对某些前沿的研究现状进行概述，指出了下一步的研究趋势，希望能引起国内同行的关注。
关键词：微热管；电子器件；冷却1 引言电力电子装置正向着功能越来越完善而体积越来越小的方向发展，在电力电子装置内部产生的高热流密度对装置的可靠性造成极大威胁。
对电力电子装置失效原因的统计表明，由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于50％，传热问题甚至成为电力电子装置向小型化方向发展的瓶颈。
微热管则是随着微电子技术的发展而发展起来的一门新兴技术。
随着电子元件集成密度的增加，其产生热量的散逸变得困难。
电子元件除了对最高温度有要求外，对温度的均匀性也提出了要求。
作为一项很有发展前景的技术，微型热管正是应用于电子元件中，以提高热量的导出率和温度的均匀化。
由于其尺寸小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快，因此有着广阔的应用前景。
例如，流体的微量配给、药物的微量注射、微集成电路的冷却及微小卫星的推进等。
笔记本电脑CPU的冷却已有相当一部分采用微型热管解决，一般微型热管的直径为3 mm左右，它与现有的风扇加热沉结构相比有明显的优点。
针对电子冷却的特定要求，现已开发了重力辅助热管柔性回路热管、平板型电子冷却热管和微型空气对空气换热管等多种微型管。
直接埋入芯片硅衬底中的微型热管已经开发，可代替在集成电路中起导热作用的金刚石膜。
这种微型热管的体积已小到热管中蒸汽和液体界面尺寸跟热管的水力半径可比的程度。
已开发的这种微型热管的稳态计算机模型能计算热管的传热量。
但与芯片一体化的热管在实际的工程使用中还很不完善。
目前的散热是用导热系数很高的金刚石，由于代价很高，正面临替代的问题。
为缩小体积，可进行热管和散热元件的一体化设计。
热电制冷芯片介绍
热电制冷芯片介绍初来乍到奉献一篇文章，是介绍热电制冷芯片的。
作者应该是为台湾人，在文章中他称之为热电致冷芯片，但是现在在国内用的比较多的称呼是热电制冷芯片。
热电致冷芯片(Thermoelectric Cooling Module)及温差发电芯片(Thermoelectric Power generating Module)的理论基础早在19世纪初即被科学家发现。
公元1821年(约180年前)德国科学家Thomas Johann Seebeck (1770-1831)发布塞贝克效应(Seeback Effect)此效应为日后研发温差发电芯片的基础。
随后不久(1834)，法国表匠Jean Charles Athanase Peltier也发布了珀尔帖效应(Peltier Effect)此效应为日后研发致冷芯片的基础。
但是当时并无今日发展神速的半导体工业，科学家无法利用以上两个效应来研发创造新的产品。
直到1960年(约40年前)，靠着半导体工业的配合，致冷芯片与发电芯片才问世。
致冷芯片的名称热电致冷芯片的名称很多。
如热电致冷模块(Thermoelectric Cooling Module)，热电致冷芯片(Thermoelectric Cooling Chip)，制冷芯片，热电致冷器(Thermoelectric Cooler)，珀尔帖致冷器(Peltier Cooler)，珀尔帖单体(Peltier Cell)，也有人称它为热泵(Heat Pump)。
在中国大陆，最普遍的名称为半导体致冷器。
笔者浅见，若改称固态式致冷器(solid state cooler)会更加贴切。
致冷芯片的优点热电致冷芯片与传统冷冻压缩机互相比较，有优点，但也有缺点。
它的体积小，无噪音，不使用冷煤，因此无环保公害。
寿命长。
可倒立或侧立使用，无方向的限制。
特别适用于航空器或太空舱。
造价较高，但日后几乎不需维护。
致冷芯片的缺点它最大的缺点是能源转换效率低。
微流体冷却芯片
微流体冷却芯片微流体冷却芯片是一种用于散热的新型技术，它在电子设备的高温环境下发挥着重要的作用。
本文将介绍微流体冷却芯片的原理、优势以及在实际应用中的一些案例。
微流体冷却芯片利用微小通道将冷却介质引导至电子芯片附近，通过微小的水流来吸收和带走芯片产生的热量，从而实现对芯片的高效冷却。
相比传统的散热方式，微流体冷却芯片具有以下几个优势。
微流体冷却芯片具有更高的热传导效率。
由于微通道的尺寸非常小,冷却介质可以更加接近芯片表面，从而提高了热传导效率。
相比之下，传统的散热方式通常需要通过散热片等辅助装置来增加热传导面积，但效果并不理想。
微流体冷却芯片可以实现更精确的温度控制。
通过微流体冷却芯片,可以将冷却介质引导到芯片的不同区域，从而实现针对性的冷却。
这对于一些对温度要求非常严格的应用场景非常重要，例如激光器、高性能计算机等。
微流体冷却芯片还可以实现节能效果。
传统的散热方式通常需要消耗大量的能量来维持散热片的温度，而微流体冷却芯片则可以利用流体的流动来带走热量，从而减少能量的浪费。
在实际应用中，微流体冷却芯片已经得到了广泛的应用。
例如，在电子设备领域，微流体冷却芯片可以用于高性能服务器、手机等设备中，有效地降低了芯片的工作温度，提高了设备的稳定性和寿命。
此外，微流体冷却芯片还可以用于光电器件、生物芯片等领域，为这些领域的发展提供了新的可能性。
然而，微流体冷却芯片也面临着一些挑战和限制。
首先，微流体冷却芯片的制造成本较高，需要采用微纳加工技术来实现微小通道的制造。
其次，微流体冷却芯片的设计和优化也是一个复杂的工程，需要考虑流体的流动特性、热传导特性等多个因素。
微流体冷却芯片作为一种新型的散热技术，在电子设备领域发挥着重要的作用。
它具有高热传导效率、精确的温度控制和节能等优势,已经在多个领域得到了广泛应用。
随着技术的进一步发展和成熟，相信微流体冷却芯片将在未来发展出更多的应用场景，为各个行业带来更好的散热解决方案。
半导体冷却制冷方案
半导体冷却制冷方案1.引言1.1 概述在半导体器件的运行过程中，发热是一个普遍存在的问题。
过高的温度不仅会降低半导体器件的性能和可靠性，还可能导致设备的损坏甚至失效。
因此，半导体器件的冷却问题一直是一个重要的研究领域。
本文将探讨半导体冷却制冷方案，旨在解决半导体器件发热问题，提高其工作效率和稳定性。
随着技术的不断进步，冷却技术也在不断发展，目前已经涌现出许多高效的半导体冷却制冷方案。
通过对传统冷却技术的介绍和分析，我们可以看到其存在的一些问题和局限性，比如制冷效果有限、能耗较高等。
为了解决这些问题，研究人员提出了一些新的制冷方案，如热管技术、热电制冷技术、基于纳米材料的制冷技术等。
热管技术是一种基于热传导原理的高效冷却技术，通过高热导率的工质在内外两侧建立热传导通道，实现热能的快速传递和散发。
热电制冷技术则是利用热电材料的特性，通过热电效应将热能直接转化为电能或者将电能转化为热能，从而实现对半导体器件的冷却。
此外，基于纳米材料的制冷技术也引起了研究人员的兴趣。
纳米材料由于其特殊的尺寸效应和表面效应，在制冷领域具有巨大的潜力。
例如，纳米流体冷却技术利用具有高热导率和较大比表面积的纳米流体对半导体器件进行冷却，可以实现更高效的热传导和散热效果。
总的来说，半导体冷却制冷方案是一个非常重要和前沿的研究课题，对于提高半导体器件的性能和可靠性至关重要。
本文将对冷却技术概述和半导体冷却制冷方案进行详细介绍和分析，旨在为相关研究和应用提供一定的参考和指导。
文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍本文的组织结构和各个章节的内容安排。
通过正确的结构分布，读者能够更加清晰地理解文章的思路和逻辑关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要由三个方面组成：1.1 概述：对半导体冷却制冷方案的背景和重要性进行简要介绍。
解释半导体冷却作为一种制冷技术的关键性质和具体应用领域。
1.2 文章结构：给出本文的整体结构和各章节的摘要，以帮助读者更好地理解和阅读整篇文章。
嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应
DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.04.008嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应邱云龙，胡文杰，吴昌聚，陈伟芳(浙江大学 航空航天学院，浙江 杭州 310027)摘 要：通过实验测试结合理论分析，研究嵌入式微通道冷却系统的传热特性及局部热点的尺度效应. 测试芯片加工采用MEMS 工艺，微通道层与顶层之间的连接采用硅硅直接键合，芯片与电路板（PCB ）之间的连接采用倒装焊接. 研究结果表明，采用嵌入式微通道设计极大地缩短了微芯片到微通道的导热距离，可以显著地减小微芯片到环境的热阻. 根据测试结果可知，在100 W/cm 2均匀热流密度的条件下，使用6.84 mW/cm 2的泵功，可以将模拟IC 热源的温升控制到小于40 K ，能效比超过14 000. 在非均匀热流密度的条件下，局部热点的存在会增大导热热阻在总热阻中的占比，局部热点尺度越小，热点附近的侧向热传导越严重，导热热阻越大，这减小了对流换热热阻在热点区域总热阻中的占比，使得增大对流换热系数带来的总热阻降低效果减弱.关键词： 芯片冷却；微通道；MEMS ；局部热点；热阻；对流换热中图分类号： TN 30 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2021）04−0665−10Heat transfer performance and scale effect of hot spots inembedded microchannel cooling systemQIU Yun-long, HU Wen-jie, WU Chang-ju, CHEN Wei-fang(School of Aeronautics and Astronautics , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China )Abstract: An experimental and theoretical study was presented to analyze the heat transfer performance and thescale effect of hot spots in embedded microchannel liquid cooling system. MEMS micromachining was used to fabricate the test chip, silicon-to-silicon direct bonding was used to bond the microchannel layer to the silicon cover,and Flip-chip bonding was used to bond the test chip to a printed circuit board. Results show that the embedded-microchannel design greatly reduces the thermal conduction distance from the microchip to the microchannel,resulting in a low thermal resistance from the microchip to environment. The test results show that the temperature rise of the simulated IC under a uniform heat flux of 100 W/cm 2 can be controlled within 40 K using only 6.84 mW/cm 2 of pumping power with a coefficient of performance exceeding 14 000. The existence of hot spots increases the proportion of the heat conduction resistance in the total thermal resistance of the hot spot area under a non-uniform heat flux. The smaller the size of the hot spot area was, the more serious the lateral heat conduction was and the thermal conduction resistance became larger, which indirectly reduced the proportion of the heat convection resistance in the total thermal resistance of the hot spot area. Then the benefit of increasing the convective heat transfer coefficient on decreasing the total thermal resistance of the hot spot area was decreased.Key words: chip cooling; microchannel; MEMS; hot spot; thermal resistance; heat convection随着工艺的不断进步，电子设备的集成度变得越来越高[1-4]. 在芯片性能持续增长的同时，芯片的散热问题变得更严峻. 下一代电子芯片的平均热流密度预计将达到150 W/cm 2，局部热点的热流密度更是将达到平均热流密度的一个量级以上[5-6].近年来，嵌入式微通道液冷技术凭借其极高的能效比和冷却效率，受到了广泛关注[7-10]. 该技术通过刻蚀等手段直接将微通道加工在芯片的背面，收稿日期：2020−09−15. 网址：/eng/article/2021/1008-973X/202104008.shtml 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51575487）；国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（6162790014）.作者简介：邱云龙（1992—），男，博士生，从事微电子冷却与微流控技术的研究. /0000-0002-2873-743X.E-mail ：***************.cn通信联系人：吴昌聚，男，副教授. /0000-0002-7423-3371. E-mail ：*****************.cn第 55 卷第 4 期 2021 年 4 月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.55 No.4Apr. 2021将传统分离式液冷技术的热传输过程从IC-TIM-封装外壳-TIM-微通道-流体简化为IC-微通道-流体，因此可以极大地降低从IC到微通道的导热热阻，从而显著地增强芯片的散热能力.由于芯片很薄，微通道层的横向热传导热阻较大，这使得芯片的局部热点问题变得更显著. 目前，芯片局部热点的冷却方法主要有2种：基于半导体制冷的主动式热点降温、基于微通道结构优化的被动式热点降温.基于半导体制冷的主动式热点降温技术是通过在芯片或封装内集成热电材料，通过减小导热热阻抑制局部热点区域的温升. Hao等[11]通过热电制冷，将直径为0.5 mm、热流密度为600 W/cm2的圆形局部热点区域的温升从13.9 K降低至3.2 K. Wang等[12]研究发现，TEC的接触热阻对TEC热点降温效果的影响较大. Manno等[13]研究发现，TEC 的热点降温效果随着SiC基底厚度的减薄而逐渐提高.基于微通道结构优化的被动式热点降温技术是通过提高局部对流换热系数或者增大对流换热面积等方式，以减小对流换热热阻的方式降低局部热点区域的温升. Lee等[14-15]设计斜向微肋片结构，通过调节增大热点区域的微肋片密度，可以有效地降低芯片局部热点区域的温升. Sharma等[16-17]研究优化微通道流动入口对芯片局部热点区域的冷却效果. Nasr等[18]根据两相流的散热均匀性，研究微通道两相流技术的热点冷却效果. Waddell 等[19]研究射流技术在局部热点冷却中的应用，研究结果表明，局部的对流换热系数提高了约495%.综上所述，通过主动或被动方式降低导热热阻或对流热阻均能够在一定程度上抑制局部热点区域的温升，现有的研究大多是从实现方式的角度研究各种可以用于电子芯片局部热点冷却的技术手段，缺乏导热热阻和对流热阻对芯片局部热点温升情况影响性的相关研究. 在缺少理论指导的情况下，若在导热热阻占比相对较大的局部热点区域盲目使用基于对流换热增强的局部热点冷却技术，则会出现降温效果差且功耗浪费严重的情况. 为了给芯片局部热点区域的热设计工作提供理论指导，基于MEMS工艺设计带有多尺度局部热点的嵌入式微通道冷却芯片. 通过实验测试结合理论分析的方式，研究芯片局部热点尺度变化对热点区域附近热传输过程的影响，得到不同尺度局部热点温升情况的主要影响因素.1 实验系统与实验步骤1.1 实验系统如图1所示，实验系统由恒温水槽、T型过滤器、齿轮泵、齿轮流量计、测试芯片及数据采集系统6部分组成，冷却介质为去离子水. 其中，恒温水槽的温度保持为298.15 K，温度波动率小于0.05 K. T型过滤器安装在齿轮泵之前，以防止杂质进入泵体损坏齿轮，过滤精度为15 µm. 在测试芯片的出、入口各布置测温口和测压口，用于测量冷却工质流经测试芯片前、后的温升与压降. 测温口安装在测压口外侧，目的是防止安装热电偶引起的额外压降对压降测量产生影响. 组装完成后，在测试芯片的表面涂覆一层环氧树脂，用于减少芯片外表面自然对流换热引起的热量损失.25 ℃恒温水槽过滤器齿轮泵流量计计算机采集卡测温口测温芯片图 1 实验系统示意图与测试芯片实物照片Fig.1 Schematic diagram and photo of experimental setup1.2 测试芯片测试芯片长度为23 mm，宽度为14 mm，共包含4层，从下到上依次是厚度为20 nm/200 nm的Ti/Pt电极层、厚度为0.2 mm的硅基底、厚度为0.3 mm的微通道层和厚度为0.5 mm的硅顶层.如图2所示为Ti/Pt电极层的结构及其与微通道覆盖区域（蓝框）的相对位置. 测试芯片共含有2个型号，2个型号的微通道层结构完全相同. 微666浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷通道层的长度为14.4 mm ，宽度为6.6 mm ，共包含11条平行的矩形微通道，每条微通道的宽度和相邻微通道的间隔均为0.3 mm. 详细的微通道层结构图可以参考笔者等[20]前期的相关工作.如图2所示，Ti/Pt 电极层共包含6个大型加热/测温电阻和7个小型加热/测温电阻. 1号芯片主要用于研究大尺度局部热点（LHS ）的传热特性，在1号芯片中，6个大型金属薄膜电阻的尺寸完全相同，长度为4.6 mm ，宽度为2.9 mm ，流向间隔为0.3 mm ，横向间隔为0.8 mm ，沿微通道流动方向依次命名为A 、B 、C ；在侧向上使用后缀1和2加以区分. 大型电阻具有以下3方面的作用：1）提供50~100 W/cm 2的背景热流密度，用于模拟IC 芯片的整体发热；2）通过调节单个大型电阻的输入热流密度，可以模拟大尺度局部热点对IC 散热的影响；3）根据温度-电阻标定关系，可以通过测量各个大型电阻的阻值，计算大型电阻覆盖区域的温度. 7个小型金属薄膜电阻位于微通道阵列中心，沿微通道流动方向依次命名为S 1, S 2, ······, S 7.小型电阻的长度为0.345 mm ，宽度为0.3 mm ，间隔为1.815 mm ，默认情况下不进行加热. 小型电阻有以下2方面的作用：1）通过调节单个小型电阻的输入热流密度，可以模拟小尺度局部热点（SHS ）对IC 散热的影响；2）根据温度-电阻标定关系，可以通过测量各个小型电阻的阻值，计算小型电阻覆盖区域在均匀热流密度或局部过热情形下的温度. 如图2所示，在1号芯片中，小尺度局部热点位于微通道底部；在2号芯片中，小尺度局部热点位于微肋片底部，通过比较两者在相同工况下的温升差异，可以得到小尺度局部热点与微通道的相对位置对传热特性的影响.局部热点的尺度效应主要体现在以下2个方面：热传导和热对流. 在热传导方面，随着局部热点尺度的减小，局部热点区域向周围区域的侧向热传导逐渐增强，导致导热热阻在总热阻中的占比增大；在对流换热方面，当局部热点尺度远远大于微通道特征长度时，微通道的局部对流换热性能差异可以忽略，当局部热点尺度与微通道特征长度相当时，微通道局部的对流换热性能差异不可忽略.测试芯片的工艺流程如图3所示.1）步骤1）~4）：使用干法刻蚀，在0.5 mm 厚的硅片A 上加工出深度为0.3 mm 的微通道阵列.2）步骤5）：使用激光打孔，在硅片B 上加工出直径为2 mm 的出、入水口.3）步骤6）：使用高温熔融技术，实现硅片A 与硅片B 的直接键合.4）步骤7）、8）：在键合片背面使用热氧化与PECVD ，制作50 nm/500 nm 厚的二氧化硅/氮化硅绝缘层.5）步骤9）~13）：使用磁控溅射与离子束刻蚀，在绝缘层上加工20 nm/200 nm 的Ti/Pt 电极.6）步骤14）：使用倒装焊接技术，实现芯片与PCB 之间的电路连接.图4给出微通道阵列的SEM 照片. 可知，微通道阵列的加工质量较好，表面较平整、光滑，微通道侧壁面与微通道底面的垂直度较高，这在较大程度上减小了加工误差对实验结果的影响.1.3 参数定义在定义传热参数前，评估由PCB 板导热和芯片外表面自然对流换热导致的加热功率损失. 流体吸收的总功率q e 可以通过芯片出入口流体的6.62.94.64.62.66.6流动方向1 号芯片2 号芯片1 号芯片小型电阻与微通道的相对位置说明2 号芯片从左到右依次为 S 1, S 2, ……, S 70.30.345A 1A 2B 1B 2C 1C 214.4单位: mm图 2 Ti/Pt 电极层的结构图Fig.2 Structure of thin-film Ti/Pt resistance第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.667能量守恒关系计算得到：∑q i ∑q i式中：ρ为流体的密度；c p 为流体的比定压热容；q V 为冷却介质的体积流量；T in 和T out 为测试芯片入口和出口处流体的平均温度，在实验过程中将来流温度和环境温度均控制为298.15 K. 比较总输入电功率与q e 可以发现，两者的差异小于1.3%. 考虑到热损功率很小而分布较复杂，为了便于计算，忽略了热损功率的影响，直接采用计算IC-环境总热阻：¯Th 式中：为由大型电阻测量得到的IC 热源面的平均温度，q i 为IC 热源面各电阻的加热功率.θ0由3部分组成，分别是IC-微通道导热热阻θcd 、微通道对流换热热阻θcv和流体温升热阻θf .θcd 的计算式为式中：d 为IC 向微通道导热的等效厚度，由于微通道是四面加热情形，d 取微通道中心到IC 热源面的距离，等于0.35 mm ；k 为单晶硅的热导率，该数据由厂家提供，约为130 W/（m·K ）；A 为微通道的覆盖面积，等于95.04 mm 2.θθ单位面积泵功J 的计算式为式中：P 为芯片出入口的压降.大型电阻和小型电阻的电阻-温度关系由恒温水槽与台式万用表标定得到. 标定时，将测试芯片放入PE密封袋，排出袋内空气，使得芯片紧贴PE 薄膜. 阻值测量采用四线制，当测量得到的Si光刻胶SiO 2Si x N yTi Pt PCB1) 甩胶8) 沉积氮化硅绝缘层 (PECVD)2) 光刻图形化9) 溅射 Ti/Pt 电极3) 深硅刻蚀 (BOSCH 工艺)10) 甩胶4) 释放光刻胶11) 光刻图形化5) 激光打孔12) 电极刻蚀 (离子束刻蚀 IBE)6) 硅硅键合13) 释放光刻胶7) 热氧化14) 倒装焊接图 3 测试芯片的制造流程Fig.3 Fabrication process of test chip(a)200 μm500 μm (b)图 4 微通道阵列的SEM 照片Fig.4 SEM photos of microchannel array668浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷阻值在0.5 h内的变化幅度小于±0.03 Ω时，认为达到稳定. 拟合得到的电阻-温度关系式如下所示.计算结果如表1所示.表 1 各测量参数的不确定度Tab.1 Experimental uncertainties of measurements类别参数不确定度直接测量量冷却介质体积流量±0.5%直接测量量来流（环境）温度±0.2 K直接测量量小型电阻温度±0.42 K直接测量量大型电阻温度±0.45 K直接测量量压降±4.5%（max）间接测量量IC-流体总热阻±5.0%（max）2 结果与讨论2.1 均匀热流密度条件下的传热特性如图5所示为在100 W/cm2均匀热流密度条件下，测试芯片的各热阻分量θi及其在θ0中的占比随q V的变化情况. 如图5（a）所示，采用嵌入式微通道冷却技术极大地减小了IC-环境总热阻，在q V = 72 mL/min的工况下，IC-环境总热阻仅为0.49 W/K，对应的压降和单位面积泵功仅为5.4 kPa 和6.84 mW/cm2. 在IC-环境总热阻中，微通道对流换热热阻占主导地位；其次是流体温升热阻，IC-微通道导热热阻的占比很小. 随着微通道体积流量的提高，微通道对流换热热阻与流体温升热阻同步减小，但观察图5（b）可知，流体温升热阻的减小速度明显快于微通道对流换热热阻，当q V从24 mL/min提高至72 mL/min时，流体温升热阻的占比从35.2%下降至20.4%，微通道对流换热热阻的占比从61.5%提高至74.2%. 由于IC-微通道导热热阻为常数，随着微通道对流换热热阻与流体温升热阻的减小，IC-微通道导热热阻的占比逐渐提升；由于IC-微通道的导热热阻较小，当体积流量从24 mL/min提高至72 mL/min时，IC-微通道导热热阻的占比仅从3.3%提高到了5.5%.2.2 大尺度局部热点的传热特性φuφbφA1φB1φC1如图6所示为在均匀热流密度条件下，当存在大尺度局部热点区域时，模拟IC上各加热区域相对于环境的温升T. 图中，为均匀热流密度，为背景热流密度，、、分别为A1、B1、C1区热流密度. 由图6（a）、（b）可知，当某一加热区域的热流密度从50 W/cm2升高至100 W/cm2时，该热点区域的温度会明显升高. 对于微通道散热结构，微通道中的温度边界层沿流动方向逐渐增厚这一特性使得对流换热性能随流动距离的增加逐渐降低，且流体在沿微通道流动的过程中将吸收来自各个加热区域的热量，使得自身温度不断提高. 在上述2种效应的影响下，热点区域越靠近下游，当地温升越高，越容易引起冷却系统失效.以图6（b）、（d）为例，当局部热点区域位于靠近微通道入口的A1区域时，热点区域的温升约为26.1 K；当局部热点区域位于靠近微通道出口的C1区域时，热点区域的温升高达38.0 K. 上述现象表明，在设计芯片散热系统时，应将微通道的入口区域布置在高热流密度区域.图 5 芯片各热阻分量及其在IC-环境总热阻中的占比随微通道体积流量的变化情况Fig.5 Variations of thermal resistance components and their propor-tion in total IC-ambient thermal resistance with flow rate第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.669在某些应用场景下，如高精密光学系统，除IC-环境温升外，IC 的温度稳定性也是重要指标. 该指标主要关注的是热流密度变化时IC 的温升变化量ΔT . 如图6（f ）所示，当某一加热区域的热流密度突然升高时，周围加热区域将受到不同程度的影响.热点区域下游加热区域的温升变化量ΔT 明显高于热点区域上游及侧向上的加热区域，这主要是因为大尺度热点区域热流密度增长需要的额外功率较高，这部分额外功率会显著地提高流经该热点区域的流体温度，间接地增大了热点区域下游的温升变化量ΔT . 这一现象说明，若IC 中存在多个大尺度局部热点区域，为了降低整体的IC-环境温升和提高IC 的温度稳定性，在设计微通道时应使微通道的流动方向与这些大尺度局部热点区域的分布方向垂直，以防止上游的大尺度局部热点进一步加剧下游大尺度热点区域的温升.如图7所示，比较了均匀热流密度条件下与存在大尺度局部热点时，各个加热区域的当地IC-式中：T h,i 为各加热区域的平均温度；T f,i 为各加热区域对应的微通道区域的流体平均温度，T f,i 采用能量守恒计算得到，具体估算方法为T f,i 是在忽略侧向热传导的前提下推导得到的，因此T f,i 与真实的当地流体平均温度有一定的差异，仅可用作定性分析.在流体温度变化不剧烈的前提下，可以认为当体积流量不变时，微通道对流换热热阻受局部热点的影响可以忽略不计. 由式（9）可知，图7中各个工况下的当地IC-流体热阻变化主要反映LHS 区域热流密度增长对IC-微通道导热热阻的影响.比较图7的前两个柱状图可知，在均匀热流密度的条件下，功耗对IC-环境热阻的影响不大，差异主要来自于流体物性变化引起的雷诺数增长. 通过比较上（A 1-A 2）、中（B 1-B 2）、下（C 1-C 2）加热区域的当地IC-流体热阻可知，位于微通道上游的加热区域的当地IC-流体热阻明显小于微通道中游与下游的加热区域，微通道中游与下游加热区域的当地IC-流体热阻差别不大. 在非均匀热流密度条件下，由于局部热点区域的温度升高，该区域加热功率增长量中的一部分将通过热传导传递至四周，导致周围加热区域的温度升高；当计算加热区域的当地IC-流体热阻时，仅考虑加热区自身的加热功率，因此当存在局部热点区域时，局部热点区域的当地IC-流体热阻减小，周围加热区域的当地IC-流体热阻增大.比较图7中大尺度局部热点区域位于A 1、B 1和C 1区时的当地IC-流体热阻可知，当局部热点位于A 1区时，当地IC-流体热阻的下降幅度（相对于50 W/cm 2均匀热流密度时的数值）约为16.02%，这一数值明显小于局部热点位于B 1区与C 1区时的当地IC-流体热阻下降幅度（20.81%和20.82%）.为了解释上述现象，在图8中建立热点区域热点热流密度增长引起的各区域 IC-环境温升变化量A 1A 2B 1B 2C 1C 2加热区域LHS 位于 A 1LHS 位于 B 1LHS 位于 C 1图 6 q V = 60 mL/min 条件下，大尺度局部热点对模拟芯片温升的影响Fig.6 Effect of large-scale hot spot on temperature rise of simu-lated IC at q V = 60 mL/min670浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷φ的热阻简化模型，用于研究局部热点区域加热功率增长量在侧向上的损失情况. 图中，Δ为局部热点区域热流密度的增长量. 为了便于理论分析，将热点区域与周围区域的导热过程简化为硅基底中心之间的横向热传导，将硅基底在法向上的热传导简化为一维.如图8所示，局部热点位于不同流向位置时的影响性主要体现在以下2个地方. 1）对流换热系数h 1和h 2的变化. 2）侧向热传导温差T c1−T c2的变化. 对于大尺度局部热点，θ3中的距离项x 远大于θcd1、θ2、θ4中的距离项d ，θ4中的面积项A t 远小于θ1、θ2、θ5中面积项A v1和A v2，由此可知，θ4 >> θ1、θ2、θ5. 对于嵌入式微通道冷却系统，如图5所示，由于硅基底的导热性能较好且厚度较小，在特征面积相近的情况下，对流换热热阻远大于导热热阻，即θ3 >> θ1、θ2，θ6 >> θ5. 综合上述分析可知，大尺度局部热点的侧向导热功率在总加热功率中的占比主要由θ3、θ4、θ6对应的传热过程决定，即大尺度局部热点处的当地IC-流体热阻下降情况主要由h 1、h 2及T c1−T c2决定. 当局部热点区域位于上游位置时，h 1较大，T c1−T c2较小，侧向热传导功率在总输入功率增长量中的占比较低，因此由侧向热传导引起的当地IC-流体热阻降低的幅度较小. 当局部热点位于下游位置时，h 2较小，T c1−T c2增大，侧向热传导功率在总输入功率增长量中的占比较高，因此由侧向热传导引起的当地IC-流体热阻降低的幅度较大. 上述分析说明当大尺度局部热点位于A 1区时，尽管对流换热系数较大，但是由于沿传热主路的功率同步增大，当局部热点分别位于A 1、B 1和C 1区时热流密度上升造成的ΔT 之间的差别明显小于均匀热流密度情形下这3个加热区域IC-环境温升T 的差别.2.3 小尺度局部热点的传热特性图9给出在q V = 60 mL/min 的条件下，当小尺度局部热点区域（SHS ）热流密度从0增长至870 W/cm 2时，1号芯片标记区域S 1~S 7的温升变化量. 比较图9、7（f ）可知：1）SHS 对下游区域的影响性小于LHS 对下游区域的影响性；2）当SHS 位于不同位置时，热点区域热流密度变化引起的温升变化量ΔT 之间的差别小于LHS （SHS 最大偏差为5.37%，LHS 最大偏差为13.46%）. 现象1）主要是因为对A 1A 2B 1B 2C 1C 2加热区域φu =50 W/cm 2φu =100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φB 1=100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φC 1=100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φA 1=100 W/cm 2图 7 在q V = 60 mL/min 的条件下，大尺度局部热点对各区域当地IC-流体热阻的影响性Fig.7 Effect of large-scale hot spot on thermal resistance of microchannel heat sink at q V = 60 mL/min对流换热T f, 1, h 1T f, 1, h 1T f, 2, h 2θ3=1/(h 1A v1)θ6=1/(h 2A v2)θ2=d /(2kA v1)θ5=d /(2kA v2)θ1=d /(2kA v1)θ4=x /(2kA t )T c1T c1T c2T s1T s2T c2ΔT ΔT T f, 2, h 2ΔφΔφ侧向热传导传热主路传热支路图 8 热点区域的热阻简化模型Fig.8 Simplified thermal resistance model for hot spot area第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.671于SHS ，尽管热点区域热流密度的增长程度较大，但是由于SHS 面积较小，实际传递给微通道流体的功率较小，流体的温度变化不明显，所以SHS 下游区域受热点区域热流密度变化的影响相对较小. 现象2）的产生过程相对较复杂，具体阐述如下：对于SHS ，x 与d 、A t 与A v1均在同一个量级，θ4显著减小，侧向热传导加强，有相当一部分热量将沿传热支路进入流体. 当侧向热传导功率增大时，局部热点的影响范围扩大，此时A v2 >> A v1（θ5与θ6减小）. 受θ4、θ5、θ6变化的影响，图8中T c1至T f1和T f2的热阻显著减小；θ1在IC-流体热阻中的占比提高，对于小尺度局部热点，由热点位置改变引起的对流换热系数变化对热点区域额外温升的影响相比于大尺度局部热点进一步减小.φSHS 如图10所示为背景热流密度对1号芯片小尺度局部热点（SHS ）温升变化量ΔT 的影响. 图中，为SHS 区域热流密度. 如图10所示，增大背景热流密度会进一步增大SHS 的温升变化量ΔT ，微通道上游区域（S 1、S 2）的增大程度明显小于微通道下游（S 3~S 7）. 结合图8的热阻模型可知，背景热流密度对热点区域的影响性主要体现在图8中θ4右端的温度T c2上；当背景热流密度增大时，T c2增大，θ4两侧的温差减小，因此通过热传导进入传热支路的功率减小，有更多的热量将沿着传热主路进入流体，造成了热点区域ΔT 的增长. 对于靠近微通道入口的S 1、S 2区域，对流换热系数较大，分析图7可知，当热点区域对应的微通道表面的对流换热系数较大时，侧向热传导功率在总输入功率中的占比较小，因此T c2增大引起的侧向热传导功率降低量对传热主路功率的影响较小，即当SHS 位于S 1、S 2区域时，背景热流密度的变化对热点区域额外温升的影响程度较轻.图11描述了小尺度局部热点（SHS ）与微通道之间的相对位置对SHS 区域温升变化量ΔT 的影响. 当SHS 位于微肋片底部时，热点区域到对流换热面的导热距离增加，直接导致在垂向上的导热热阻（图8中θ1、θ2）增大；对于高宽比相近的S 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7标记区域热点位于 S 1热点位于 S 2热点位于 S 3热点位于 S 5热点位于 S 6热点位于 S 7热点位于 S4图 9 q V = 60 mL/min 条件下，1号芯片SHS 区域热流增长引起标记区域S 1~S 7的温升变化量ΔT Fig.9 Effect of heat flux increase in SHS area on temperature rise of S 1 to S 7 of No.1 chip at q V = 60 mL/min图 10 q V = 60 mL/min 条件下，1号芯片背景热流密度对小尺度局部热点区域温升变化量ΔT 的影响Fig.10 Effect of background heat flux on SHS temperature rise ofNo.1 chip at q V = 60 mL/min图 11 当背景区域热流密度为50 W/cm 2，SHS 区域热流密度为870 W/cm 2时，小尺度局部热点与微通道相对位置对ΔT 的影响Fig.11 Effect of relative location between SHS and microchannelon SHS temperature rise with background heat flux of 50 W/cm 2 and SHS heat flux of 870 W/cm 2672浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷。
半导体制冷芯片 工作原理
半导体制冷芯片工作原理半导体制冷芯片是一种常见的制冷技术，广泛应用于电子设备、医疗设备、汽车空调等领域。
它的工作原理是基于热电效应和半导体材料的特性。
我们来了解一下热电效应。
热电效应是指在某些材料中，当两个不同温度的接触点之间存在温度梯度时，会产生电压差。
这种现象被称为“塞贝克效应”，其基本原理是热能转化为电能。
在半导体制冷芯片中，利用了这一效应来实现制冷。
半导体制冷芯片的核心部件是由两种半导体材料组成的热电偶。
这两种半导体材料分别是n型半导体和p型半导体，它们的导电性质不同。
将这两种材料按照特定的方式连接起来，形成一个闭合回路，就构成了一个热电偶。
当热电偶的两端存在温差时，热电效应就会发生。
温度高的一端是热源端，温度低的一端是冷源端。
热电偶的热电效应使得冷源端产生低温，热源端产生高温。
这样，通过将冷源端与需要制冷的物体接触，可以将热量从物体中吸收，实现制冷效果。
半导体制冷芯片的工作原理进一步解释如下。
在热电偶中，n型半导体和p型半导体之间形成了一个电势差。
当电势差存在时，电子会从n型半导体的高能级区域向p型半导体的低能级区域流动，形成电流。
这个过程中，电子会带着能量，从而带走热量。
具体来说，当电子从n型半导体流向p型半导体时，会吸收热量，使得p型半导体的温度升高。
而当电子从p型半导体回流到n型半导体时，会释放热量，使得n型半导体的温度降低。
这样，通过不断地将电子从n型半导体输送到p型半导体，再从p型半导体输送回n型半导体，就可以实现制冷效果。
半导体制冷芯片的制冷效果与电流的大小有关。
当电流增大时，热电偶的制冷效果也会增强。
但是，过大的电流会导致半导体芯片过热，甚至损坏。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的电流大小，以兼顾制冷效果和芯片的安全性。
除了制冷效果，半导体制冷芯片还具有其他一些优点。
首先，它体积小、重量轻，适用于各种紧凑的应用场景。
其次，它没有机械运动部件，运行静音，不会产生振动和噪音。
电子元器件热电冷却技术研究进展
电子元器件热电冷却技术研究进展【摘要】随着电子元器件体积的不断缩小以及性能的不断提升，电子元器件的发热量也不断增大，容易造成电子元器件的损坏，因此电子元器件的冷却技术就至关重要。
本文通过介绍电子元器件热电冷却技术的发展，对热电制冷器的散热形式进行探讨，以此来提升我国电子元器件热电冷却技术，促进我国相关领域的发展。
【关键词】电子元器件;热电冷却;技术;研究据相关资料分析，大约有50%-60%的电子元器件失效是由于温度过高造成的，随着温度的升高，电子元器件的失效率也在不断上升，大大降低了电子元器件的使用寿命，传统的散热技术已经不能满足现实需求。
热电冷却作为一种新型的制冷技术，具有轻便、无噪音、温度精确控制、无需制冷剂等优点，适合作为电子元器件冷却散热技术。
一、热电冷却的制冷原理热电冷却主要是利用帕尔贴效应进行制冷，其制冷原理如图1所示：当电子元器件之间接通直流电后，电流从p型电臂流向n型电臂时，p型电臂中的空穴和n型电臂中的自由电子向箭头所指方向相向运动。
进入p型电臂的自由电子会立即与导体中的空穴复合，产生的热量从电子元器件接头处放出，这就是前面提到的帕尔贴效应。
当电流通过有温度梯度的热电元件时，由于汤姆逊热效应就会产生汤姆逊热，实现电子元器件与外界环境之间的能量交换。
二、热管技术及其在电子元器件冷却中的应用随着制冷技术的不断发展，热管技术已经在电器设备及电子元器件的散热系统中得到广泛应用，主要冷却技术有：常规热管技术;微型热管技术;回路热管技术;脉动热管技术。
（一）常规热管常规热管的规格通常在几毫米到几厘米之间，作为传统的热管冷却技术它能够有效保证电子元器件的常规散热，但是也存在一定的问题和缺陷。
常规热管的最大问题是传热介质不能与管材长期相容，在散热过程中会产生一些气体聚集在管路中，容易造成爆炸的危险，使用寿命过低，成本较高。
（二）微型热管微型热管的直径通常为几毫米，它主要应用在笔记本电脑CPU散热领域，比如笔记本电脑中直径为2-4mm的铜水热管。
微电子器件的电热特性与热耦合分析技术研究
微电子器件的电热特性与热耦合分析技术研究微电子器件是现代电子技术领域中的重要组成部分，其电热特性及热耦合分析技术的研究对于提高微电子器件的性能和可靠性具有重要意义。
本文将从微电子器件的电热特性和热耦合分析技术两个方面进行探讨。
一、微电子器件的电热特性微电子器件的电热特性是指在电流作用下，器件内部产生的热量与温度变化之间的关系。
微电子器件的电热特性对于器件的设计、制造和使用都有着非常重要的意义。
1.1 热阻和热导率微电子器件的热阻和热导率是衡量其电热特性的重要参数。
其中，热阻指的是单位面积上单位时间内通过微电子器件的热量与温度差之比；热导率则是指单位时间内单位面积上通过微电子器件的热量与温度梯度之比。
这两个参数越小，说明微电子器件的散热能力越好，其稳定性和可靠性也就越高。
1.2 温度分布微电子器件内部的温度分布也是其电热特性的一个重要方面。
由于微电子器件的尺寸很小，因此其内部温度分布往往非常不均匀。
这种不均匀性会对器件的性能和寿命产生很大影响。
因此，了解微电子器件内部的温度分布情况，对于优化器件设计和提高其可靠性具有重要意义。
1.3 热失效微电子器件在工作过程中，由于电流作用下会产生大量的热量，如果无法有效地散热，就会导致器件的热失效。
这种失效现象会对器件的性能和寿命产生很大影响。
因此，对于微电子器件的散热问题进行深入的研究，对于提高其可靠性具有非常重要的意义。
二、热耦合分析技术微电子器件内部的温度分布与其周围环境之间存在着很强的耦合关系。
因此，在对微电子器件进行电热特性分析时，需要考虑其与周围环境之间的相互作用。
这就需要运用到热耦合分析技术。
2.1 有限元法有限元法是一种常用的热耦合分析技术。
该方法基于数值计算，通过将微电子器件及其周围环境离散化为若干有限元单元，建立数学模型，并利用计算机程序进行求解，得到各个节点处的温度场分布。
这种方法具有计算精度高、适用范围广等优点。
2.2 瞬态温度测量法瞬态温度测量法是一种通过测量微电子器件表面温度变化来推算其内部温度分布的方法。
微电子器件热力学特性建模与仿真
微电子器件热力学特性建模与仿真微电子器件在现代科技的发展中扮演着越来越重要的角色，它们广泛应用于通讯、计算机、医疗、制造、能源等领域。
针对微电子器件的热力学特性进行建模和仿真可以优化器件的设计，在降低能耗和提高性能方面起到重要作用。
一、微电子器件热力学特性：微电子器件的热力学特性包括温度分布、热传导、热辐射和对流散热等。
在设备运行时，各种和热相关的因素，比如电流密度、光谱辐射、材料特性，都对设备的热力学性能产生影响。
温度分布是微电子器件热力学特性中的一个重要因素，它是影响器件性能的关键因素之一。
随着微电子器件的尺寸越来越小，其热能密度也随之增大，使得温升更为显著，因此对器件温度分布进行准确的预测成为了必要的任务。
热传导是微电子器件热力学特性中的另一个重要因素。
微电子器件在工作时产生的热量需要通过散热来排出，否则会导致设备损坏。
因此，对器件的热传导进行研究是至关重要的。
热辐射是相对于热传导而言较小的因素，但也成为一个影响器件性能的非常重要的因素。
微电子器件在一定温度下会产生热辐射，热辐射不仅会影响周围环境，也会影响器件本身的性能。
对流散热是微电子器件热力学特性中一个非常具有挑战性的方面。
在微型器件中，存在非常有限的空间用于传热，而在这些空间内，对流散热是主要的热传递机制。
二、微电子器件热力学特性建模：在实际工作中，针对微电子器件热力学特性进行建模是一个非常复杂的问题，因为涉及到多种因素的相互作用。
要准确地建模微电子器件热力学特性，需要考虑材料物性、器件几何结构、电特性等多种因素。
首先，需要建立器件的数学模型以便在计算机上进行仿真和优化。
这个数学模型包括各种数学方程，通过建立这些方程可以模拟材料的热特性、器件的几何形状和模拟器件性能的变化。
其次，需要进行测量和实验来得到材料和器件的物性参数，如热导率、热容等。
这些参数将用于数值计算以建模器件的热传导性质。
然后，需要考虑器件的几何形状和材料影响对热传导和热辐射的影响。
半导体车载冰箱电子制冷原理
半导体车载冰箱电子制冷原理
半导体材料是一种能够在特定温度梯度下产生电能和热能转换的材料。
其中最常用的半导体材料是硒化铟，具有良好的热电特性。
当一根硒化铟
棒的两端温差存在时，会在材料内部产生电场，电子会从热端流向冷端，
形成电流。
在半导体车载冰箱中，通常有两个导热器，一个位于冷侧，一个位于
热侧。
冷侧导热器与冷藏室相连，通过材料的导热性质，将冷量传递给冷
藏室。
热侧导热器则将热量传递到车外，使冷藏室内部的温度下降，从而
达到制冷效果。
半导体冷却器通常由两部分组成，即冷和热部分。
冷部分是由导热器、半导体片和散热器组成的。
当电通过半导体片时，会在其两端产生温差，
这样热量就会从冷接口传递到热接口。
冷藏室的热量通过冷端导热器进入
半导体片，然后通过热端导热器散发到外界。
而热部分则是通过热端散热器将热量传递到车外。
热端散热器通常采
用铝或铜材质制成，具有良好的导热性能。
通过辅助设备如风扇或散热片，可以提高散热效果。
总结起来，半导体车载冰箱的电子制冷原理是通过半导体材料的特性
和热电效应，利用温差和电流的作用将冷量传递给冷藏室内部。
通过导热器、半导体片和散热器等组件，使热量从冷侧转移到热侧，并通过散热器
散发到外界，实现车载冷藏箱的制冷效果。
微电子芯片热电冷却系统的传热特性
θ1/（℃·W-1） θ1 /（℃·W-1）
0.52
0.50
0.48
0.46
0.44
Uf=8.3V
0.42
U =12.0V f
0.40 20 25 30 35 40 45 50
Q0 / W
图 7 θ1随芯片功率的变化
Fig.7 Variation of θ1 at different Q0
0.8
Q =20W 0
热沉 TEC 模块 CPU 芯片
串联的热量传递过程中，如果通过各个环 节的热流量都相同，则各串联环节的总热 阻等于各串联环节热阻之和。如图 2 为热
Q0 图 2 热电冷却 CPU 芯片散热系统示意图
Fig.2 Scheme of the TEC cooling system
电冷却CPU芯片散热系统结构示意图。
4
5
1-风扇；2-热沉；3-基板；4-TEM；5-芯片；
6
6-热界面材料；7-直流电源
图 4 热电制冷散热系统结构示意图
Fig.4 Structure scheme of the TE cooling system
图 5 为热电冷却散热系统实验台实物照。本实验系统主要包括热电冷却散热系统、直流
电源和数据采集系统三个部分。热电冷却系统包括基板、模拟芯片、热电制冷模块、热沉、
θ2
= θtotal
− θ1
− θ3
−θ4
−θ5
=
Tchip − Th Q0 + P
− Tchip − Tc Q0
(6)
3 实验测试系统设计
3.1 实验装置
如图 4 为热电制冷散热系统结构示意图，模拟芯片置于基板上的刻槽中，以保证其散热
纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性
第59卷 第9期 化 工 学 报 Vol159 No19 2008年9月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China) September 2008研究论文纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性吴信宇,吴慧英,屈 健,郑 平(上海交通大学机械与动力工程学院动力机械与工程教育部重点实验室,上海200240)摘要:对去离子水及体积分数分别为0115%和0126%的水基γ2Al2O3纳米流体在当量直径为19415μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。
考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。
结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。
实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。
根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。
研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。
关键词:纳米流体;硅微通道;对流换热;强化换热;流动阻力中图分类号:T K124 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)09-2181-07Flow and heat t ransfer characteristics of nanofluidsin silicon chip microchannelsWU Xinyu,WU Huiying,QU Jian,ZH EN G Ping(School of Mechanical and Power Engineering,S hanghai J iao Tong Universit y,S hanghai200240,China)Abst ract:An experimental investigation was performed on t he single2p hase flow and heat t ransfer characteristics t hrough silicon2based t rapezoidal microchannels wit h a hydraulic diameter of19415μm using deionized(DI)water andγ2Al2O3nanofluids of volume f ractions0115%and0126%respectively1The effect s of Reynolds number,Prandtl number and nanoparticle concentration on t he convective heat t ransfer characteristics were investigated1The result s showed t hat t he pressure drop and flow resistance for nanofluids and DI water were approximately t he same,but t he Nusselt number of nanofluids increased considerably as compared wit h t hat of DI water1Wit h t he same p umping power,using nanofluids instead of DI water caused t he reduction in t hermal resistance1It was also found t hat Nusselt number increased wit h t he increase in nanoparticle concent ration,and t he heat t ransfer enhancement was more obvious at t he higher bulk temperat ure of nanofluids1Based o n t he experimental data,a dimensionless correlation of Nusselt number was p ropo sed1The result s presented in t his paper help to guide t he design of high efficiency integrated chip cooling system.Key words:nanofluids;silicon microchannels;convective heat t ransfer;enhanced heat t ransfer;flow resistance 2008-01-03收到初稿,2008-03-23收到修改稿。
微电子器件的流体与热传导特性研究
微电子器件的流体与热传导特性研究微电子器件是现代科技发展的重要组成部分，其在通信、计算、娱乐等领域扮演着重要的角色。
然而，随着器件尺寸的不断缩小和功耗的提高，器件内部的流体和热传导特性成为了研究的热点。
本文将从流体和热传导两个方面探讨微电子器件的特性。
一、流体特性的研究微电子器件内部的流体特性对其性能有着重要影响。
首先，流体的流动对器件的散热能力起到关键作用。
随着器件功耗的不断增加，热量的产生也越来越多，如果不能及时有效地散热，会导致器件温度升高，进而影响器件的工作稳定性和寿命。
因此，研究器件内部的流体流动方式和散热机制，对于提高器件的散热性能具有重要意义。
其次，流体的流动还会影响器件的电气性能。
在微电子器件中，电流经过导线时会产生热量，这会导致电流密度的不均匀分布，从而影响器件的电阻、电压和电流分布。
而流体的流动可以通过传热和冷却的方式来调节电流的分布，进而改善器件的电气性能。
因此，研究流体在微电子器件中的流动方式和传热特性，对于提高器件的电气性能具有重要意义。
二、热传导特性的研究微电子器件内部的热传导特性对其散热能力和性能稳定性同样起到重要作用。
首先，研究器件内部的热传导路径和热阻分布，可以帮助我们了解器件内部的热量传输机制。
通过优化器件的结构和材料，可以降低热阻，提高器件的散热能力。
其次，研究热传导特性还可以帮助我们了解器件的温度分布和热点位置。
在微电子器件中，由于功耗集中和尺寸缩小等原因，往往会出现局部温度升高的现象，即热点。
热点的存在会导致器件的性能下降和寿命缩短。
因此，通过研究热传导特性，可以帮助我们找到热点位置，并采取相应措施来降低热点的温度，提高器件的性能和寿命。
三、未来的研究方向随着微电子器件的不断发展，对其流体和热传导特性的研究也在不断深入。
未来，我们可以从以下几个方面进行研究。
首先，可以研究流体在微电子器件中的流动方式和传热特性。
通过优化器件的结构和材料，提高流体的流动性能和传热能力，进而提高器件的散热性能和电气性能。
微流控芯片传热特性与应用探索
微流控芯片传热特性与应用探索微流控芯片技术作为一种新兴的微纳加工技术，近年来在生物医学、化学合成、药物筛选及实验室自动化等领域展现了巨大的应用潜力。
特别是其在传热方面的特性，对于提升实验效率、精确控制反应条件及实现高通量处理具有重要意义。
以下是关于微流控芯片传热特性与应用探索的六个方面概述。
一、微流控芯片的传热基础理论微流控芯片中的传热过程主要涉及热传导、对流和辐射三种机制，但因尺度的微小化，传统宏观热传递理论往往不再适用。
在微尺度下，流体的层流特征显著，热边界层薄，导致热阻减小，传热效率显著提升。
同时，芯片材料的选择与结构设计对热传递性能有直接影响，如高导热系数的硅基材料和集成微通道结构能有效促进热量的快速传递。
二、微流控芯片的热管理技术为了精确控制芯片内部的温度分布，热管理技术尤为重要。
这包括集成微型加热器和冷却装置，如使用电热丝、微电阻加热器或Peltier元件来局部加热，以及微流体冷却通道来快速散热。
此外，相变材料（PCM）和微热管等被动热控技术也被应用于维持芯片操作温度的稳定，特别是在连续流动和高热负荷的应用场景中。
三、微流控芯片传热特性在生化反应中的应用在生化反应中，温度是影响酶活性、细胞生长和蛋白质折叠等过程的关键因素。
微流控芯片通过精确控制传热，能够在微小体积内实现快速温度响应和均匀性，为酶促反应、DNA扩增（如PCR）、细胞培养等提供理想的微环境。
例如，微流控PCR芯片能在几分钟内完成数十个循环的温度循环，大幅缩短实验时间。
四、微流控芯片在热分析与热传感中的应用利用微流控芯片的快速传热特性，可开发出高度敏感的热分析和传感系统。
如热梯度法可用于检测物质的热导率、比热容等热物理性质，适用于生物分子的识别与定量分析。
同时，结合微流体热传感器，能够实时监测流体的温度变化，应用于环境监测、食品安全检测及疾病诊断等领域。
五、微流控芯片在能量转换与回收中的探索在微尺度下，传热过程的高效性为能量转换和回收提供了新的可能。
微电子领域高效传热解决方案探讨
微电子领域高效传热解决方案探讨微电子技术作为信息技术的核心驱动力，近年来的迅猛发展极大地推动了电子产品的小型化、集成化和高性能化。
然而，随着芯片尺寸的不断缩小和功率密度的急剧增加，散热问题成为制约微电子器件可靠性和性能提升的关键瓶颈。
高效传热解决方案的研究与应用，对于保障微电子设备的稳定运行、延长使用寿命以及提升整体性能具有重要意义。
以下是针对微电子领域高效传热解决方案的六点深入探讨：一、微电子器件散热原理及挑战微电子器件在工作时，电流通过晶体管等元件会产生热量，导致温度上升。
随着芯片设计的不断进步，单位面积上的功耗大幅增加，热流密度显著提高，这给传统的散热技术带来了巨大挑战。
高温不仅会加速器件老化，影响电路性能，还可能引发系统故障甚至损坏。
因此，理解微电子器件的散热机制，评估热阻和热流路径，是设计高效传热方案的基础。
二、先进热界面材料的研发热界面材料（TIMs）用于填充芯片与散热器之间的微小间隙，减小接触热阻，提高热传导效率。
随着纳米技术的发展，新型TIMs如石墨烯、金属基纳米粒子填充聚合物、以及液态金属合金等，因其卓越的热导率和低界面热阻，成为了研究热点。
这些材料的应用能显著提升散热效率，为解决高功率微电子器件的散热难题提供有效途径。
三、三维封装与集成冷却技术随着三维集成（3D IC）技术的发展，多个芯片垂直堆叠在一起，形成了高度集成的系统。
这种设计虽然提高了性能和密度，但也加剧了散热问题。
因此，开发集成冷却方案，如直接芯片冷却（DCC）、微通道冷却等，成为必要。
这些技术通过在芯片表面或直接在芯片内部构建微细冷却通道，利用液体直接带走热量，实现高效热管理。
此外，相变散热技术，如蒸汽室和微流体沸腾等，也是提高散热效率的有效手段。
四、热管理和控制系统智能化智能化热管理系统的引入，能够实时监测芯片温度，并根据热负荷动态调整散热策略，以达到最佳散热效果。
这包括使用传感器网络监控温度分布，结合算法预测热行为，以及利用软件调控风扇转速、泵流量等。
微流控芯片中的传热性能研究
微流控芯片中的传热性能研究微流控芯片技术被广泛应用于实现高灵敏度、高效率、高精度和微小尺寸等优点的传感器、生物芯片、分析化学和微型反应器等领域。
在微流控芯片中，传热性能的研究是至关重要的。
微流控芯片中的流体一般都处于微流动状态下，其传热性能与传统大尺寸热传系统有很大的不同。
传统系统中，流体在管道内可以通过流动和对管道壁的布守传热，而微流控芯片的尺寸很小，因此不能依靠传统的传热机制。
微流控芯片通常采用纳米结构、微结构和复杂结构等形式，在通道中实现传热增强，因此需要对其传热性能进行研究和探索。
微流控芯片中传热性能的特点是传热方式的多样性、传热量的微小和传热边界的不确定性等。
传热的方式包括对流传热、辐射传热和传导传热等。
其中，对流传热是微流控芯片中的主要传热方式，通常采用微流动技术和微习微湍流技术来增强传热效应。
在微流控芯片中，由于针对不同应用，产生的传热量非常小，因此需要采取传热增强技术使传热效率显著提高。
现代微纳加工技术使得在微流控芯片中可以实现越来越复杂的纳米结构和微结构，并可以通过控制结构的尺寸和形状、材料选择等方式，实现对传热性能的优化和增强。
微流控芯片中的传热性能还与流体与通道壁之间的热交换有关。
通道壁的热传递能力是影响传热性能的一个重要因素。
不同的材料或不同的通道尺寸变化，都会影响传热性能。
实现高效的热交换也是提高微流控芯片传热性能的关键。
从应用的角度，不同领域的微流控芯片在传热性能上有不同的要求。
例如，在生物芯片中，由于生物往往是溶液的形式存在，传热性能影响着芯片的灵敏度和稳定性;在分析化学中，传热性能会影响芯片的灵敏度和检测器的信号强度。
因此，需要对多种领域的微流控芯片的传热性能进行研究和探索，并针对具体应用进行传热性能的优化方法。
总之，微流控芯片技术是一种新兴的技术，其传热性能的研究对其应用的发展具有重要意义。
未来随着科技的不断发展，微流控芯片的应用领域将会更加广泛，传热性能的可靠性和稳定性将不断得到提高，加速推动微流控芯片技术的发展和进步。
同位素燃料驱动型mems热电动力芯片的传热和能量转换效率问题研究
同位素燃料驱动型mems热电动力芯片的传热和能量转换效率
问题研究
目前，同位素燃料驱动型MEMS热电动力芯片的传热和能量
转换效率问题是研究的热点之一。
研究人员正在努力改善芯片的传热性能和能量转换效率，以提高其整体性能和可靠性。
在传热方面，研究人员通过优化芯片的热传导路径、改变材料的热导率和热容量等方法来提高传热效率。
例如，可以使用高导热材料作为芯片的热传导层，以增加热能的传输速率。
此外，研究人员还可以设计特殊的热传导结构，如纳米尺寸的热导纳米线，以提高传热效率。
在能量转换方面，研究人员致力于提高芯片的能量转换效率。
目前，常见的能量转换机制是热电效应，通过将热能转变为电能来驱动芯片的功能。
为了提高能量转换效率，研究人员可以优化芯片的热电材料的选择和设计。
例如，使用高效的热电材料，如铋锑合金，具有较高的热电转换效率。
此外，还可以通过优化芯片的结构和工作条件来进一步提高能量转换效率。
例如，研究人员可以改变芯片的工作温度，以使其处于最佳能量转换效率的工作点上。
总的来说，同位素燃料驱动型MEMS热电动力芯片的传热和
能量转换效率问题正在得到广泛研究和改善。
通过优化材料选择、改进芯片结构，以及优化工作条件等手段，可以进一步提高芯片的性能和应用范围。
微电子器件中的热传导与散热管理技术研究
微电子器件中的热传导与散热管理技术研究微电子器件是现代电子技术中的重要组成部分，它们的性能和可靠性对于电子设备的正常工作至关重要。
然而，随着电子器件尺寸的不断缩小和功率的不断增加，热问题逐渐成为了制约器件性能和可靠性的主要因素。
因此，热传导与散热管理技术的研究变得尤为重要。
热传导是指热量从高温区域传递到低温区域的过程。
在微电子器件中，由于器件尺寸小，热量的传导路径变得非常短，因此热传导的效率相对较低。
为了提高热传导效率，研究人员采用了多种手段。
首先，改进材料的热传导性能是提高热传导效率的重要途径。
目前，研究人员已经开发出了一系列具有高热导率的材料，如石墨烯、碳纳米管等。
这些材料具有优异的热导率和导热性能，可以显著提高微电子器件的散热效果。
其次，优化器件结构也是提高热传导效率的一种方法。
通过设计合理的器件结构，可以增加热量的传导路径，从而提高热传导效率。
例如，研究人员提出了一种新型的热传导路径，即通过纳米线将热量从热源传递到散热器。
这种结构可以大大增加热量的传导路径，从而提高热传导效率。
此外，研究人员还开发了一系列散热管理技术，以提高微电子器件的散热效果。
散热管理技术主要包括被动散热和主动散热两种方式。
被动散热是指通过改变器件的结构或材料来提高散热效果。
例如，研究人员可以在器件表面添加散热片或散热膏，以增加热量的散发面积，从而提高散热效果。
此外，还可以通过改变器件的结构来增加散热面积，例如采用多层结构或多孔结构。
主动散热是指通过外部手段来提高散热效果。
目前，常用的主动散热技术包括风冷散热和液冷散热。
风冷散热是通过风扇将冷却空气吹入器件周围，以提高散热效果。
液冷散热则是通过将冷却液流经器件，将热量带走，从而实现散热。
这些技术可以显著提高微电子器件的散热效果，从而提高器件的性能和可靠性。
综上所述，微电子器件中的热传导与散热管理技术的研究对于提高器件性能和可靠性至关重要。
通过改进材料的热传导性能、优化器件结构以及开发散热管理技术，可以有效提高热传导效率和散热效果。
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针对热电冷却技术发展起步较晚，热电冷却系统传热特性及其应用性能的研究还不够深 入和完善的现状，本研究将研制一套微电子芯片热电冷却实验装置及其测试系统，结合现在 先进的红外热成像技术，分析热电冷却系统的传热特性、散热性能、系统各性能参数之间的 关系及其对芯片表面温度的影响。
0.7
Q =25W 0
Q =30W 0
0.6
0.5
0.4
1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 3.3
I/A
图 8 θ1随TEC工作电流的变化 Fig.8 Variation of θ1 at different I
4.2 TEC 自身热阻θ2
由于 TEC 模块应用于电子芯片的冷却散热时是主动制冷装置，故其热阻为一负值。当 TEC
由图 8 可以看出，在相同芯片功率条件下，随着TEC工作电流的增加，θ1 呈现先下降后上 升的趋势。当 Q0 =20W时，θ1 在工作电流为 2.1A时取得最小值 0.461℃·W-1；当 Q0 =25W时，θ1
在工作电流为 2.4A时取得最小值 0.465℃·W-1；当 Q0 =30W时，θ1 在工作电流为 3.1A时取得最 小值 0.405℃·W-1。
热沉 TEC 模块 CPU 芯片
串联的热量传递过程中，如果通过各个环 节的热流量都相同，则各串联环节的总热 阻等于各串联环节热阻之和。如图 2 为热
Q0 图 2 热电冷却 CPU 芯片散热系统示意图
Fig.2 Scheme of the TEC cooling system
电冷却CPU芯片散热系统结构示意图。
θ2
= θtotal
− θ1
− θ3
−θ4
−θ5
=
Tchip − Th Q0 + P
− Tchip − Tc Q0
(6)
3 实验测试系统设计
3.1 实验装置
如图 4 为热电制冷散热系统结构示意图，模拟芯片置于基板上的刻槽中，以保证其散热
方式与实际散热情况相符。TEC 的冷面通过热界面材料与模拟芯片紧密接触，以吸收模拟芯
108
107
装热电偶对温度信号进行实时检
测。实验测试系统的热电偶布置如
图 6 所示。在模拟芯片表面中心布 有一测温点 104，测量芯片表面温 度；在热电制冷模块冷、热面的中
110021 TEC 103
发热芯片 105
101
+-
ห้องสมุดไป่ตู้
106
+-
心分别设置测温点 105 和 103，冷热 面的边角处分别设置测温点 106 和 101，用以测试TEC冷、热面的热均
的增加而增大。 关键词: 热电冷却; 微电子芯片; 传热特性; 热阻分析
1 引言
芯片功率的不断提高对高性能冷却技术的迫切要求与实际应用的广阔市场空间，使得对 高热流密度芯片和微机械电子系统冷却散热的研究成为非常重要而又活跃的研究领域[1-2]。热 电冷却也叫半导体冷却，是利用半导体材料的帕尔帖效应来实现制冷的一门新兴技术[3]。自从 1834 年法国物理学家帕尔帖（Peltier）发现了电流的温差制冷效应以来，世界各国的研究者一 直致力于将热电冷却技术应用到微电子芯片的热管理中，并为此开展了大量的研究[4]。然而， 由于热电材料性能的限制以及热电冷却系统性能影响因素的复杂性，有关热电冷却技术在微 电子封装热管理方面的应用研究进展缓慢。直到最近 10 年来，随着半导体热电材料性能的改 进，TEC（Thermo-electric cooler）制冷效率的提高，热电冷却技术逐渐引起了电子设备热设 计与管理专家的兴趣，开始对TEC在电子设备与芯片散热上的应用进行研究[5]。但是，现有研 究大多以理论分析与简单的实验测试为主，对应用热电冷却器的芯片散热系统进行理论推导 计算与热电性能的简单分析分析[6]。国内研究者近年来也开始重视TEC在微电子封装热管理方 面的应用研究，但同样以热电冷却系统的理论分析、设计计算和对热电模块性能改进的实验 研究居多，或者在综述性论文中对热电冷却技术进行系统介绍[7-9]。目前，还鲜有设计实验台 探讨较大发热功率范围下热电冷却系统性能的研究出现。
摘要： 随着电子封装集成度的迅速提高，微电子芯片结构尺寸的不断减小以及功率密度的持续增加，芯片的散
热问题及温度分布均匀性已成为影响芯片性能亟待解决的瓶颈。针对微电子芯片热管理技术的现状和传统冷 却技术的不足，建立微电子芯片热电冷却装置及其性能测试系统，采用热阻分析模型对热电冷却系统的传热
过程进行研究。分析结果表明： TEC 自身热阻（ θ2 ）随工作电流的增大而降低；系统总热阻（ θtotal ）随 TEC 工作电流的增大而先减小后增大，存在一个最佳电流值（ I opt ）使得 θtotal 最小；并且， I opt 随芯片功率
芯片温度，℃； Q0 为芯片功率，W；θ1为TEC冷面与芯片上表面间的接触热阻，℃·W-1；P 为维持TEC工作的输入功率，W； Tc 和 Th 分别为TEC冷、热面的温度，℃； Qh 为TEC热面散 热量，W；θ2为TEC自身热阻，℃·W-1；θ3为TEC热面与热沉之间的接触热阻，℃·W-1；θ4为 热沉自身热阻，℃·W-1；θ5为热沉与环境间的对流换热热阻，℃·W-1； Ts 为热沉底座温度， ℃； Tfin 为热沉翅片平均温度，℃；h为热沉与环境之间的对流换热系数，W·m-2·K-1； Ta 为环
境温度，℃。系统各热阻的计算关系式如下：
Tchip θ1
芯片 Q0
Tc θ2
TEC
Th θ3
Qh
Ts θ4
Tfin θ5 Ta
散热热沉 h
P 图 3 热电散热系统热阻分析示意图 Fig.3 Schematic diagram of the thermal resistance analysis of the TEC cooling system
片的热量；热沉与 TEC 热面紧密接触，
1
通过风扇的强制对流作用将 TEC 热端
的热量散失到环境中。实验通过调节
2
7
TEC 的工作电流来改变 TEC 制冷量和
3
散热量。在模拟芯片与 TEC 冷面接触面 热界面材料的两侧、TEC 热面以及热沉 翅片上分别布置热电偶，记录整个散热 系统（包括模拟芯片表面、TEC 冷热面 和热沉表面）的温度变化。
θ1
=
Tchip − Q0
Tc
(1)
θ3
=
Th − Ts Q0 + P
(2)
θ4
=
Ts − T fin Q0 + P
(3)
θ5
=
T fin Q0
− Ta +P
(4)
整个散热系统的总热阻 θtotal 为：
θ total
=
Tchip − Ta Q0 + P
(5)
综合式(1)至式(5)求解，可得出 TEC 处于正常工作状态时自身热阻的计算公式，
4 热电冷却系统性能分析
4.1 模拟芯片与 TEC 冷面的界面接触热阻θ1
图 7 为风扇电压Uf=8.3V和Uf=12.0V时，模拟芯片与TEC冷面间的界面接触热阻θ1 随芯片 功率的变化关系。图 8 则给出了三种芯片功率条件下，TEC工作电流对θ1 的影响。
由图 7 可以看出，在风扇电压Uf=8.3V时，θ1 随芯片功率Q0的变化幅度不大，θ1 基本稳定 在 0.451℃·W-1；而当风扇电压Uf=12.0V时，θ1 随芯片功率Q0变化的最大幅度为 0.068℃·W-1， 剔除实验测试坏点的影响，θ1 基本稳定在 0.48℃·W-1。在相同Q0下，θ1 随着Uf的增加而增大。 这是因为随着Uf的增加，TEC热面的散热能力得到加强，TEC热面温度 Th 下降，在一定的TEC 运行工况下使得TEC冷面温度 Tc 降低，芯片表面与TEC冷面的温差增大，从而导致接触热阻θ1 随之增大。
空穴
电模块热面的热量不断散出并且保持一 定的温度，而把热电模块的冷面置于工
吸热
吸热
作环境中去吸热降温，这就是热电制冷
器的工作原理[3]。如图 1 所示为热电制 冷过程示意图。
2.2 热电冷却系统热阻分析模型
直流电源 图 1 热电制冷过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of thermoelectric cooling process
在典型的热电冷却模块中，对于单个热电冷却单元，根据能量守恒原理，在一系列合理
假设的基础上, 可得到热电冷却器冷端制冷量Qc，热端向环境的散热量Qh，通电流时产生的电 压U，消耗的电能W, 制冷效率COP值以及优值系数Z的计算式[11]。类比电学的欧姆定律，采用
热阻分析法对散热系统进行传热分析[3]，得出散热系统的热阻分析示意图如图 3 所示。Tchip 为
4
5
1-风扇；2-热沉；3-基板；4-TEM；5-芯片；
6
6-热界面材料；7-直流电源
图 4 热电制冷散热系统结构示意图
Fig.4 Structure scheme of the TE cooling system
图 5 为热电冷却散热系统实验台实物照。本实验系统主要包括热电冷却散热系统、直流
电源和数据采集系统三个部分。热电冷却系统包括基板、模拟芯片、热电制冷模块、热沉、
实验开始前，首先要安装及调试实验系统，同时也打开数据采集仪，运行一段时间使温
度显示平稳，尽量减少温度显示误差。考虑到大多数CPU芯片的结温应控制在 90℃以内[12]，
实验中需注意当 Tchip 超过 90℃时关闭芯片电源，停止实验。当TEC的冷热面温差 ΔT < 0 时，
TEC不能起到主动制冷作用，或当TEC工作电流或电压超过最大工作电流或电压时，也停止实 验，避免TEC损坏。
散热风扇和热界面材料。实验选用的热电制冷模块由广东某电子科技有限公司提供，具体型