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

张凤海

身份证号码：220721198310250214

摘要：由于电子元器件的尺寸越来越小，性能越来越好，其发热量也越来越大，这很可能会导致其失效，所以，对电子元器件进行散热是非常重要的。本文在对电子元器件热电冷却技术的发展情况进行了介绍的基础上，对热电冷却器的散热形式展开了讨论，以此来提高我国电子元器件热电冷却技术的水平，推动我国相关领域的发展。

关键词：电子元器件；发热量；热电冷却；散热形式

根据有关数据，目前电子器件中约有50-60%因高温而导致失效，且随高温而导致器件失效率显著增加，导致器件寿命大幅缩短，而传统的散热技术已无法满足实际应用的需要。热电冷却具有体积小、无噪声、温度控制准确、不需要冷却剂等特点，是一种非常适用于电子器件的冷却与散热技术。

1热电冷却的冷却原理

热电冷却主要通过帕尔贴效应来展开冷却，在电子元器件之间连接直流电之后，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沿箭头所指方向相向运动。游离的电子进入p-形导线后，会立刻与导线内的空穴结合，并在导线上生成热能，这就是先前所说的Paltier效应。在热电元器件内部存在温差时，在汤姆逊热效应的作用下，在其内部形成汤姆逊热，从而使其与外部环境进行热量交换。

2热管技术及在电子器件冷却中的应用

2.1常规热管

传统热管尺寸一般在数毫米至数厘米范围内，作为传统的热管冷却技术，虽然能有效地保障电子元器件的正常散热，但仍存在一些问题与不足。传统热管存在着传热介质无法与热管长期兼容、热管内部积聚气体、易引发爆炸、使用寿命短、造价高等问题。

2.2微型热管

微热管的直径一般只有几毫米，主要用于笔记本电脑CPU的散热，例如笔记本电脑中的铜水热管，其直径一般在2-4毫米之间。微米热管不具有其它热管所具有的吸液芯，其横截面一般为多边形，因此微米热管具有毛细功能，具有良好的散热效果。

2.3回路热管

回路热管可以有效地弥补传统热管的缺陷，其主要是通过回路内的毛细管来实现工作质的往复流动，从而提高了热管的散热性能，提高了其稳定性。随着技术的进步，回路热管的研发主要是朝着小化的发展趋势来进行的，这样就可以满足更多、更小的电子元器件的散热工作，从而真正提高电子元器件散热的效率，推动电子元器件冷却技术的发展。

2.4脉动热管

脉动热管是日本90年代初期首次提出的一种新型的电子器件散热技术。相对于传统的热管，脉动热管无需吸液芯，且可任意弯折，可针对不同的电子元器件进行针对性的散热，提高散热效率。在实际应用中，其一端是热源，另一端是冷源，由于热源的存在，使得空气在加热时会产生膨胀，增大的容积、压强，进而达到热源的目的。脉动热管技术具有广泛的应用前景，可以有效地提高电子元器件的散热效率，确保电子元器件在使用过程中的正常运行。

3热电冷却器的几种常见散热形式

3.1自然风冷

自然风冷技术主要应用于小型热电冷却设备中，该技术主要是利用一定数量的翅片散热器来进行热量交换，而散热效果的好坏，在很大程度上取决于翅片散热器的数量和表面积。但是，该技术的冷却效果不能得到保障，且散热效率不高。

3.2强迫风冷

强迫风冷技术指的是除了自然风冷技术之外，还增加了一种人工风源，以确保散热器能够持续地进行热量的释放，这种技术的热量释放效果在很大程度上依赖于速度，速度越大，热量释放效果就会越好，热量释放效率也会更高。有关专家们在进行了实验的比较和分析之后，得出了一个结论，那就是强制风冷的热阻大约是自然风冷热阻的一半。所以在实际的冷却工作中，一般都是采用空气强冷却的方式。

3.3液体冷却散热

目前，液态冷却的主要散热方式为水冷，其热阻小于自然风冷或强制风冷。液体冷却的热阻与流体流速密切相关，流体流速愈高，热阻愈低，反之则愈高。在实际工作中，散热器和管道构成了一个封闭回路，冷却水通过该回路不停地循环，以排除电子器件所产生的热能，但长期采用液态冷却来散热时，管道内极易结垢，从而影响后续的散热，所以需要在使用过程中及时清除这些结垢，以确保良好的散热效果。

3.4相变散热

相变散热主要指的是通过相变材料的相态变化来吸收热量，从而达到散热的目的。它的原理类似于水变成冰时会释放热量，而冰变成水时会吸收热量。现在最常用的是热管散热器，它的有效散热面积是翅片式散热器的4倍，可以保证较好的散热效果。为了使其在冷却端部可以连续地工作，必须选用适当的相变材料，以确保其工作的连续性。

3.5芯片整体表面的散热

目前，我国学者对此问题的研究大多集中在文献综述上，而关于此问题的实证研究则比较少，其中以上海交大、同济大学等高校的实证研究最为丰富。苏成仁和他的团队已经开发出一种半导体冷冻计算机CPU温控仪，将CPU的温度设置在38摄氏度，当CPU的温度超过38摄氏度时，则会对其进行供电，使其对芯片进行冷却，当CPU的温度低于38摄氏度时，则会使其停止工作。郑永明等还研制出一种微型计算机芯片测温的致冷控制系统。本系统以半导体冷却片为微型计算机芯片的致冷元器件，以单片机为主要控制单元，采用数字式温度传感器，以单片机为核心，以固体继电器为核心，以固体继电器为核心，对冷却片进行控制。任欣等人对此进行了较为深入的研究，他们通过调整纯电阻片的输入电压，来改变模拟芯片的加热功率，再利用热电致冷器来进行冷却，得出了在一定热端辐射强度下，半导体致冷器在不同的冷却条件下，在不同的冷却条件下，通过对比，选择出了最优的条件，从而得出了在最优条件下，半导体致冷器的工作电流和冷却量的大致计算公式。

4电子芯片热电冷却数值模拟与优化

目前国内的研究大都是将TEC致冷单元与晶片的温度场分别单独仿真，并未将两者相结合，且目前的研究多是基于热电致冷单元的仿真，对于单一热电致冷单元，分别仿真致冷单元在致冷单元长度上的温度分布，并考虑了传热系数、热电优值系数Z、晶片两端的掺杂量等因素对致冷的影响。李茂德等以热电冷却系统中电偶极在电场与温度场耦合影响下的非稳态温度变化特征为研究对象，对热电冷却过程中的微分方程进行了再次的推导与分析，并对其进行了数值仿真与计算，得到了在非稳态过程中，热电冷却系统冷热端的基本变化规律；与此同时，他在第三类边界条件下进行求解，得到热电冷却性能与热端散热强度之间的解析关系式，通过对其进行数值计算和求解，得出散热强度对热电冷却性能影响的曲线。

5热电冷却器的选择

目前市面上可供使用的热电致冷机种类很多，应根据不同的环境条件，选择合适的热电致冷机。在对冷却器进行选型时，一般要根据冷却器的最大冷却量，最大温差，最大电流值，以及优值系数来确定，以保证最基本的散热效果。与此同时，技术人员还能够以实际情况为依据，借助计算机辅助系统，对各个参数展开分析和计算，从而获得适合自身的热电冷却参数，从而选择合适的热电冷却器，从而持续推进电子元器件热电冷却的发展。

结束语

随着时间的推移，电子元器件的散热问题越来越受到人们的关注，因此，有关部门应该加速热电冷却技术的研发，并将其应用于电子元器件的散热，从而克服现有的散热技术的不足，提高其冷却性能，为电子工业的发展提供技术保证。

参考文献：

[1]朱冬生, 雷俊禧, 王长宏,等. 电子元器件热电冷却技术研究进展[J]. 微电子学, 2009, 39(1):7.

[1]袁慧, 侯娜娜, 李树谦,等. 数据中心相关器件的浸没液冷技术研究进展[J]. 能源研究与管理, 2022(001):000.