芯片冷却中热电制冷器性能的实验研究

　　0　引言

　　随着电子产品更新换代速度的加快和性能的提高，电子设备将朝着微型化、高频化、结构紧凑化方向发展。如今单枚芯片上集成的晶体管数量急剧增加，发热功率骤增[1]。芯片单位面积上的热流密度急剧上升，导致芯片局部温度过高，产生热点[2]，出现热失效现象，严重影响芯片高效、稳定、安全运行以及使用寿命。因此，电子冷却技术成为影响电子设备性能的关键技术。

　　热电制冷技术以其无机械运动部件、运行无噪音、易微型化、易控制、可靠性高，以及使用寿命长等优点[3]，被广泛应用于光电和电子设备的温控。在电子设备冷却中，热电制冷器的性能是影响冷却效果的主要因素。为了对电子设备冷却中的热电制冷器性能进行研究，科研人员做了大量的工作。Chang等[4]研究了电子冷却中风冷条件下的热电模块制冷性能。Huang等[5]对电子冷却中热负荷和制冷器电流对冷却性能的影响进行了分析。Zhang等[6]分析了大功率电子封装中的热电制冷器性能。本文通过实验分析了电子芯片冷却中热电制冷器的冷却效果及其性能。

　　1　热电制冷原理

　　热电制冷(原理如图1所示)是半导体材料利用帕尔贴效应使冷端吸热制冷，热端放热，同时伴随着电流流过导体产生的焦耳热和由温差而产生的傅里叶热，以及存在温度梯度而产生的汤姆逊热综合作用的结果，但实际汤姆逊效应很小，可忽略。对于一个由N对串联的热电单元，通以电流I时，制冷量为

　　制热量为

　　制冷系数为

　　式中，α为热电单元塞贝克系数，Tc为冷端温度，Th为热端温度，R为热电单元臂电阻，K为热电单元导热系数，ΔT为冷、热端温差。其中热电单元塞贝克系数α=|αn|+|αp|，热电单元电阻R=lnσnSn+lpσpSp，热电单元臂总导热系数K=knSnln+kpSplp，各式中σ和k分别为电导率和热导率，lS分别为热电臂的长度和面积，下标n和p分别对应n型和p型臂的相应参数。

　　2　实验及测量系统

　　2.1　实验装置

　　实验采用如图2所示装置，主要由热电制冷片、模拟芯片、散热器、均热铝片、绝热材料和固定板组成。考虑到模拟芯片发热功率较小，采用TEC1-12705单级热电制冷片，最大温差工作电流5A，最大温差工作电压15.20V，最大温差67℃，最大制冷量52.10W，热电单元数127对，外形尺寸为40mm×40mm×4.0mm。模拟芯片由均匀缠绕电阻丝的云母片，以及用于固定和绝缘的上下两块云母片构成，云母片尺寸均为30mm×30mm。热电制冷片热端采用铜制水冷散热器进行散热，冷却水由温度较为恒定的自来水提供。热电制冷片冷端对模拟芯片进行冷却，热端与散热器连接，制冷片两端面分别与两块中间开有微槽的铝片(具有均热和布置热电偶的作用)接触，铝片尺寸为40mm×40mm×1.5mm。