微电子芯片热电冷却系统的传热特性

高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集编号：B－0100010微电子芯片热电冷却系统的传热特性王长宏1黄金1陈颖1朱冬生2(1.广东工业大学材料与能源学院,广东广州,510006;2.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,510640)（联系电话：[phone]，E－mail：[e-mail]）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（2θtotalθ）随工作电流的增大而降低；系统总热阻（）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（）使得optItotalθ最小；并且，随芯片功率的增加而增大。optI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-electriccooler）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。广东工业大学博士基金资助项目（批准号：405095237）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。2热电冷却系统传热过程的理论分析2.1热电制冷原理如果把不同极性的两种半导体材料（P型和N型），联接成电偶对，通过直流电流时就发生能量的转移；电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量，这个端面为冷面，电流由P型元件流向N型元件时便放出热量，这个端面为热面。借助散热器将热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作环境中去吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理放热放热N型热电材料P型热电材料电子空穴吸热吸热直流电源图1热电制冷过程示意图Fig.1Schematicdiagramofthermoelectriccoolingprocess[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引入热阻的概念可以有效评价散热系统进行研究，探寻减小散热通道的热阻，提优化提供理论依据。由杨世铭和陶文铨主编的《传热学》中，在考察冷、热流体通过一块大平壁交换热量的传热过程时，类比电学中的欧姆定律，提出了传热过程热阻的概念的散热能力，可利用热阻分析法对散热/冷却系统高散热/冷却效率的有效途径，并为散热系统的参数热电冷却单元，根据能量守恒原理，在一系列合理量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0QhQP热沉TEC模块CPU芯片图2热电冷却CPU芯片散热系统示意图Fig.2SchemeoftheTECcoolingsystem[10]。串联热阻叠加原理与电学中串联电阻的叠加原理相对应，即：在一个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为热电冷却CPU芯片散热系统结构示意图。在典型的热电冷却模块中，对于单个假设的基础上,可得到热电冷却器冷端制冷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。为芯片温度，℃；为芯片功率，W；θ为TE冷面与芯片上表面间的接触热阻，℃·W；P为维持TEC工作的输入功率，W和分别为TEC冷、热面的温度，℃；为TEC热面散热量，W；θ2为TEC自身热阻，℃；θ3为TEC热面与热沉之间的接触热阻，℃·W-1；θ4为5环境间的对度为chipT-1C0Q1；cThhTQ·W-1热沉自身热阻，℃·W-1；θ为热沉与流换热热阻，℃·W-1；为热沉底座温，℃；T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·msT-2·K-1fin；aT环境温度，℃。系统各热阻的计算关系式如下：芯片TECQ0QhPθ1θ3TTTahθ5散热热沉θ2θ4图3热电散热系统热阻分析示意图Fig.3SchematicdiagramofthethermalresistanceanalysisoftheTECcoolingsystemchipTchsfinTT01QTTcchip−=θ(1)PQTTsh+−=03θ(2)PQTTfins+−=04θ(3)PQTTfin+−=05θ整个散热系统的总热阻a(4)为：totalθPQTTachiptotal+−=0θ(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，0054312QTTPTcchiphp−−+−(6)QTchitotal=−−−−=θθθθθθ3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EC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TEC热面紧密接触，通过风扇的强制对流作用将的热量散失到环境中。实验通过调节散热量。在模拟芯片与TEC冷面接触面分别布置热电偶，记录整个散热和热沉表面）的温度变化。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、的热电制冷模块由广东某电子科技有限公司提供，具体型号有TEC1-12706M、TEC1-12705和TEC1-12708等三种。参照主流CPU芯片的尺寸[12]，设计（下文中出现的不同功率的芯片，其尺寸都与模拟芯片相同）。65431方式与实际散热情况相符。T片的热量；热沉与TEC热端TEC的工作电流来改变TEC制冷量和热界面材料的两侧、TEC热面以及热沉翅片上系统（包括模拟芯片表面、TEC冷热面图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、直流散热风扇和热界面材料。实验选用721-风扇；2-热沉；3-基板；4-TEM；5-芯片；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.4StructureschemeoftheTEcoolingsystem模拟芯片的尺寸为40mm×40mm×3.5mm。模拟芯片的平均电阻为6.8Ω，发热功率上限为50W数据采集系统直流电源热电冷却散热系统图5热电冷却散热系统试验平台Fig.5TestplatformoftheTEcoolingsystem3.2数据采集系统与测试方法研究选用Agilent34970A数据采集仪，配合1.0mm二级精度的铠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、热面的中心分别设置测温点105和103，冷热的边角处分别设置测温点106和101，用以测试TEC冷、热面的热均平均还布置一测温点109用来记录实验时的环境温度。实验系统，同时也打开数据采集仪，运行一段时间使温。考虑到大多数CPU芯片的结温应控制在90℃以内[12]，芯片电源，停止实验。当TEC的冷热面温差0时，工作电流或电压超过最大工作电流或电压时，停止实C4热电冷却系统性能分析模拟芯片与冷面的界面接触热阻发热芯片TEC+-107108101104105103102-+101106图6散热系统热电偶布置示意图Fig.6Thermocoupledistributionschemeofthetestcoolingsystem面匀性；在热沉底面和翅片上分别布有三个测温点102、107和108，以测试热沉底座和翅片的[13]温度，计算热沉热阻。另外，实验开始前，首先要安装及调试度显示平稳，尽量减少温度显示误差实验中需注意当chipT超过90℃时关闭TEC不能起到主动制冷作用，或当TEC验，避免TE损坏。4.1TEC1TΔ也θ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1θ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1θ的影响。由图7可以看出，在风扇电压U=8.3V时，1θ随芯片功率Qf0的变化幅度不大，1θ基本稳定f1在0.451℃·W-1；而当风扇电压U=12.0V时，θ随芯片功率Q变化的最大幅度为0.-1，剔除实验测试坏点的影响，0℃·W068基本稳定在0.48。在相同Q0下，℃·W-11θ1θ随着Uf的增加而增大。面温度降低，芯片表面与TEC冷面的温差增大，从而导致接触热阻这是因为随着Uf的增加，TEC热面的散热能力得到加强，TEC热面温度hT下降，在一定的TEC运行工况下使得TEC冷cT1θ随之增大。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，1θ呈现先下降后上升的趋势。当=20W时，在工作电流为2.1A时取得最小值0.461℃·W-1；当=25W时，10Q0Q1θθ在工作电流为2.4A时取得最小值0.465℃·W-1；当=30W时，0Q1θ在工作电流为3.1A时取得最小值0.405℃·W-1。0.80.420.440.460.480.0.524.2TEC自身热阻2θ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在冷却系统中正常运行时，其热阻还受热电功能材料的热物性参数、模拟芯片功率以及TEC工作参数的影响。图9给出了2θ随TEC工作电流和芯片功率的变化关系。由图9可知，给定风扇电压Uf=12.0V时，在相同热负荷条件下，2θ随着TEC工作电流对于热流通道的阻碍作用越来越小。其原因在于随着I的增大，TEC冷、热面产生的和相应增大，使得芯片产生的热量能够更快地被TEC虽有不断增大的焦耳热和傅立叶效应的影响，对于TEC来说能把芯片产生的热量更快地传递到TEC热面。从图中还可以看出，在相同工作电流下，随着芯片功率的升高，的增加而逐渐减小，cQhQ冷面吸收。然热电制冷过程中伴随但是不断增大的帕尔帖制冷量还是起到了主导的作用，2θ也逐渐增大。2θ作为TEC的自身热阻，只能反应TEC的工作状态和传热性能，若要对整个散热系统进行分析，还应考虑整个散热系统的热阻。图8θ1随TEC工作电流的变化dFig.8Variationofθ1atifferentI1.51.82.12.42.73.03.30.40.50.60.7Q0=20WQ=25W0Q0=30Wθ1/-1（℃·W）I/A图7θ1随芯片功率的变化Fig.7Variationofθ1atdifferent0Q2025303540455050）0.40U=8.3VfU=12.0Vfθ1/·W-1Q0/W