基于半导体制冷器的CPU散热研究

　　1 引言

　　随着集成电路制造技术及工艺的不断提高,近年来,微处理器CPU芯片朝着高集成化、高微型化和高频化方向迅猛发展。但在CPU性能不断提高的同时也伴随着发热量不断增大,这个现象引起了业界的广泛关注。有资料显示55%的电子设备失效原因是其过热引起^[1],照这样发展下去,将严重影响计算机的稳定性、可靠性和使用寿命,进而阻碍计算机技术的发展进程。

　　目前普遍采用风冷法对CPU进行散热,它是在CPU芯片上安装带有轴流风扇的散热器,风扇旋转强迫空气对流带走热量。这种散热方式具有结构简 单、价格低廉的优势。但散热能力有限,最多只能排出CPU发热量的60%。随着性能更强大的CPU不断推出,这种CPU散热方式已经接近极限能力。为使 CPU发挥最佳性能并保证其可靠性,研究实用高效的CPU芯片冷却方法成为业内科技工作者十分重要而紧迫的任务。鉴于以上原因,本文研究了利用半导体制冷 器来提高CPU芯片散热能力的一种实用方法。

　　2 半导体制冷器

　　半导体制冷,又称电子制冷、温差电制冷、热电制冷或珀尔帖制冷等,它是利用塞贝克效应的逆效应珀尔帖效应达到制冷目的^[2]。其工作机理是热量转移,当接通直流电时,半导体的冷面温度迅速降低,而热面温度迅速上升,从而利用冷面的相对低温达到降低温度的目的。其制冷量QC由如下表达式描述^[3]:

　　式中,A:热电系数;Tc:冷面温度; I:工作电流;R:半导体电阻;k:导热率;vT:冷热面温差。半导体制冷器用于CPU芯片散热的结构示意如图1。其优点是:结构简单、体积小、重量轻、 作环境要求低、无制冷工质、无振动、无污染、启动快、控制灵活、组装简单、寿命长、可靠性高、便于维修。缺点是:制冷效率低、容易因冷面温度过低使CPU 结露而导致短路故障。

　　3 露点传感器研制

　　由上可知,利用半导体制冷器对CPU芯片进行散热,无疑是一种提高CPU芯片散热能力的较好方法。但是半导体制冷器冷面温度达到露点温度时,与其紧密接触的CPU芯片将会结露,从而产生短路危险。这个问题制约了半导体制冷器在CPU芯片散热方面的推广运用。

　　为确保空气中所含水分不在CPU芯片表面凝析出来,我们提出了对半导体制冷器冷面进行结露监测的思路。一旦发生轻微结露现象,立即使半导体制冷器停止运行,待温度回升高于露点温度时再重新恢复运行,避免因CPU芯片结露而发生的短路危险。

　　作者研制的露点传感器由红外发光二极管、红外光电二极管、反射镜、过滤罩、信号处理电路等组成,原理结构如图2所示。