电子封装热管理的热电冷却技术研究进展.pdf
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第27卷第11期2008年11月电子元件与材料ELECTRONICCOMPONENTSANDMATERIALSVbl-27NO11NOV2008电子封装热管理的热电冷却技术研究进展王长宏，朱冬生（华南理工大学化学与化工学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510640）摘要：
电子封装器件中芯片的散热问题一直是制约其发展的瓶颈。
综述了芯片的产热特征、散热需求与散热方式。
对热电冷却（TEc）技术在芯片散热系统上的应用进行分析，指出了其不足之处与特有的优势。
对热电冷却技术在芯片热管理方面应用研究的现状与进展进行了总结评述。
关键词：
电子技术；热电冷却；综述；电子封装；芯片热管理；散热中图分类号：
TB6192文献标识码：
A文章编号：
10012028（2008）11-000404ResearchprogressonthermoelectriccoolingtechnologyappliedinelectronicpackagingthermalmanagementWANGChang-hong，ZHUDong-sheng（EducationalMinistryKeyLaboratoryofEnhancedHeatTransfer&EnergyConservation，SchoolofChemistryandChemicalEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China）Abstract：
ThequestionofheatdissipationofchipsinelectronicpackagingdeviceistheobstructioninitsdevelopmentTheheatproducingcharacteristics，heatdissipationrequirementandmodeofelectronicchipwerereviewedTheapplicationsofthermoelectriccooling（TEC）technologyinelectronicchipheatdissipationsystemwereanalyzedandpointedoutthedisadvantagesandadvantagesFurthermore，thepresentsituationandresearchprogressofthermoelectriccoolingtechnologyappliedinelectronicpackagingthermalmanagementweresummerisedandreviewedKeywords：
electrontechnology；thermoelectriccooling；review；electronicpackaging；chipthermalmanagement；heatdissipation电子元器件封装集成度的迅速提高，芯片尺寸的不断减小以及功率密度的持续增加，使得电子封装过程中的散热、冷却问题越来越不容忽视。
而且，芯片功率密度的分布不均会产生所谓的局部热点，采用传统的散热技术已不能满足现有先进电子封装的热设计、管理与控制需求，它不仅限制了芯片功率的增加，还会因过度冷却而带来不必要的能源浪”。
电子封装热管理是指对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合理的冷-IJl散热技术和结构设计优化，对其温度进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作【2】。
热电冷却作为一种主动冷却技术，具有无需任何制冷剂，寿命长和安装简单，可通过控制电流实现高精度温度控制等优点，在电子元器件封装热管理领域受到了广泛的关注】。
对温度反应敏感或要求在特定温度下工作的各种电子元器件，都常采用半导体制冷器使它们保持最佳的工作状态，即热电冷却。
然而，国内对于电子元器件热电冷却的研究相对薄弱，与国外差距明显。
笔者在掌握热电冷却原理以及电子封装热管理理论的基础上，对热电冷却技术在芯片散热系统上的应用进行了分析，指出了其不足之处与特有的优势，并对热电冷却技术在芯片热管理方面应用研究的进展与现状进行了总结评述。
1高密度电子封装热管理II热失效及散热需求电子封装密度越来越高，电子器件的体积越来越小，适应了目前集成电路高密度发展的要求，但随之而来的散热问题不容忽视【4j。
2O世纪70年代到9O年代间，集成电路芯片中的热流密度从约10wcm-增加到i0Wcm-量级；如图l所示，当前这一数收稿日期：
20080606通讯作者：
朱冬生基金项目：
教育部新世纪人才支持计划（NoNCE040826）作者简介：
朱冬生（1964一），男，安徽安庆人，教授，主要从事新型冷却与强化传热技术研究，Tel：
（020）87114140，Email：
cedshzhuscuteducn；王长宏（198O一）。
男，安徽安庆人，博士研究生，研究方向为微电子封装传热，Tel：
（020）87114185，13143539725，E-mail：
wangchhmailscuteducn。
第27卷第ll期王长宏等：
电子封装热管理的热电冷却技术研究进展5值增大的趋势仍在继续。
如此大的能量密度，如果不能合理地进行热管理设计，就会导致微处理器的失效。
备邑谴粕瘴嘣止均20o420o620o8201020l220l4年份Fig1Theincreasingtrendofchipmaxthermalflowdensity热失效是由于器件工作时，电流通过引脚以及三极管组成的半导体器件受到一定的阻抗后，电能转变为热量，导致器件内部温度升高。
当温度上升到某一值时，器件将因失效而瞬间停止工作，严重时甚至会引起封装材料的燃烧【6】。
芯片工作温度与其失效率可以采用下式来描述：
=Or=exp划式中：
为无量纲失效率；为结点绝对温度，K；为参考温度，K；历为活化能，eV；k为玻耳兹曼常量，8616x10-eVK-。
图2为根据式
（1）绘制的曲线图。
从图3中可以看到，当参考温度为100，活化能在0608之间时，结点温度升高25，失效率将增大56倍，失效率随温度几乎成指数增长。
除了因温度升高直接引起的失效以外，温度升高还会引发其它模式的失效，如键合材料的机械蠕变、寄生化学反应和杂质扩散等等j。
t，图2芯片失效率与结点温度关系曲线Fig2Dependencesofvsjointtemperatures12电子元器件的散热、冷却方式电子器件散热的目的是保证其工作的稳定性和可靠性，常用的方法主要有：
自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、能量疏导方式、热隔离方式和PCM（相变材料）温度控制方法等等。
而根据冷源温度与环境温度的关系，可将各种散热方法分为两大类。
121被动式冷却所谓被动式散热是指冷源温度高于环境温度的电子封装器件散热方式。
按照冷却介质的不同又可分为空气冷却和液体冷却。
（1）空气冷却空冷是指通过空气的流动将电子封装器件产生的热量带走的一种散热方式。
它又可分为自然对流和强迫对流。
自然对流散热冷却是指不使用任何外部辅助能量的情况下，介质在重力场中由于温度差引起的密度差而产生的流动，而实现局部发热器件向周围环境散热达到控制温度的目的。
这种以自然对流为主的传热方式，其散热能力是非常有限的。
通常其对流换热系数在020WmK之问。
这对于发热量较小的封装器件来说已经足够，但对于一些高密度电子封装器件就远远不够了。
强迫对流散热冷却是指介质在外力作用下的流动，主要借助于风扇等强迫器件周边空气流动，从而将器件工作产生的热量带走。
这种散热方式具有比自然对流强得多的散热能力，通过与热沉组合可使其对流换热系数达到10100Wm-。
如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种散热冷却方式。
目前这种散热方式已广泛采用。
（2）液体冷却液冷是通过液体的流动带走电子封装器件产生热量的一种散热方式，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。
液体冷却包括直接冷却和问接冷却。
间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介或系统（一般是液体冷板及其辅助装置，如液冷模块（LCM）、导热模块（TCM）、喷射液冷模块（CCM）和液冷基板（LCS）等）从发热元件传递给液体。
直接液体冷却法（又称浸入冷却）是指液体与电子元件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，它适用于热耗体积密度很高或那些必须在高温环境下工作且器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件以及高密度封装或大功率电子器件的2一D或3D封装散热。
液体冷却与空气冷却相比具有很多优势，最突出的是液体具有比气体大得多的体积热容，因此其热负载能力很大；另外，它还具有噪声小，温度平稳等特点。
但是它也存在系统复杂、成本高和可靠性较低等不足。
122主动式冷却所谓主动式冷却是指冷源温度低于环境温度的一种散热方式。
这种散热方式可以获得较低的芯片温度，有利于芯片性能的提高；但是它需要消耗更多的能量，可靠性也较低。
主动式冷却的冷却介质有三种：
气体、液体和固体。
气体主动式冷却包括热一声制冷和气体6王长宏等：
电子封装热管理的热电冷却技术研究进展Vb127NO11NOV2008节流制冷；液体主动式冷却主要包括微型压缩式制冷和相变冷却等技术；固体主动式冷却包括热一电制冷和热电离子制冷两种。
热一声制冷主要是针对固体物质的冷却技术，其运行频率为5kHz，驱动方式为压电驱动，工作介质为大气压下的空气。
热电冷却是建立在半导体帕尔帖效应上的一种固体制冷方式，它是一种产生负热阻的制冷技术，其优点是无噪音、体积小、无运动部件、结构紧凑、操作维护方便、无需制冷剂，制冷量和制冷速度都可以通过改变电流大小来调节。
热电冷却技术在恒温和功率密度大的系统中应用较多，常用来对常规的电子元器件进行散热和冷却，同时还可以用来冷却低温超导电子器件。
在散热与冷却技术中应该考虑的典型因素有：
热阻、重量、维护要求或维修性、可靠性、费用、制造容差、热效能、效率或有效系数、耐环境度（冲击、振动及腐蚀等）、对人体的危害程度、尺寸、复杂性、功耗及对设备电性能的影响。
需要指出的是：
一个冷却方案不限于一种冷却方式，大多数方案都是根据具体情况，包含几种冷却方式，相互配合使用。
2热电冷却21冷却原理与热传递方程热电冷却也叫半导体制冷，是利用半导体材料的温差电效应帕尔帖效应来实现制冷的一门新兴技术。
如图3所示为半导体热电冷却器制冷原理示意图。
n型热电材吸热tt吸热-__IlllI图3热电制冷器原理示意图电材料Fig3Principlesketchofthermoelectriccooler热电效应由塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅立叶效应五个不同的效应组成，热电冷却是热电效应、主要是帕尔帖效应在制冷技术方面的应用。
热电冷却片的制冷量和制冷系数与制冷器冷、热端的温差密切相关，温差越大制冷量越小，制冷系数越低。
对于特定的热电冷却器，怎样及时散去热端的热量是提高热电冷却系数和增大热电冷却量的关键。
在制冷片工作期间，只要冷、热面出现温差，热量便不断地通过晶格能的传递，将热量移动到热面并通过散热设备散发出去。
因此，冷却片对于芯片来说是主动制冷的装置，而对于整个系统来说，只能算是主动的导热装置。
对于单个热电冷却单元，根据能量守恒，可得到热电冷却器冷端制冷量Q。
，热端向环境的散热量Qn，通电流时产生的电压，消耗的电能w以及制冷效率COP值3】Qc=一），-K一re）一去，R
（2）二=一一g）+IR（3）w=Crn）I（Th）+，R（4）Oh=ac+W（5）COP=Qe一（o：
p-an）ITc-K（Th-Tc）-一1：
ZR（6）w一），一Tc）+lR式中：
a、。
分别为n型和P型热电材料的塞贝克系数；，为工作电流，A；R为热电制冷单元的电阻，Q；为总导热系数，Wm-l-。
从式（6）可以看出，最大COP值是热面温度，冷面温度瓦与热电材料优值系数z的函数。
因此，提高材料优值系数，减小冷热面温差是提高热电冷却单位COP的有效途径。
22研究进展Simons8等建立实验系统，利用热电模块冷却发热晶片，并在热电模块的热端用水冷冷板散热，通过调节电流来控制热电模块的制冷量，从而实现控制晶片温度和冷板水温的目的，同时建立了该系统的模型，对其进行了测试。
余建祖在其电子设备热设计及分析技术一书中充分介绍电子设备热设计及热电冷却原理的基础上，理论推导求解了电子芯片散热过程中TEC的相关最佳性能参数【l。
陈旭和李元山等【9，指出经济性是热电冷却器设计与应用的核心问题，通过分析制冷量在设计和控制各环节中的影响，给出了一种提高制冷器运行经济性的控制方法，指出在电子设备冷却中，为了寻求冷却效率与能力的平衡，热电冷却器一般工作在最大制冷系数和最大制冷量工况之间。
任欣和张鹏等【l对有限散热强度下半导体制冷器的性能进行了实验研究，给出了半导体制冷器在有限的热端散热强度下不同制冷工况的实验结果，经过比较选出了其中的最佳工况，并推导出计算最佳工况下半导体制冷器的工作电流和制冷量的近似关系式。
田备年和殷亮等u3J把热电冷却的机理与一般相变制冷的机理进行比较，分析了热电冷却过程的热力学原理。
在理想工作条件下，电流通过半导体材料进行制冷时，同第27卷第1l期王长宏等：
电子封装热管理的热电冷却技术研究进展7时存在的帕尔帖效应、汤姆逊效应和傅立叶效应三种效应共同耦合作用的制冷效果可以分解为电子循环与两种不可逆效应的叠加。
其中的作用力是二种材料的电子化学势，最大的影响因素是两种不可逆热效应。
GaryLSolbrekken等【lJ卡艮据热电模块温差发电的原理建立热电温差发电实验系统，有效利用电子设备散出的废热，节省了电能。
研究中采用分流贴附式设计，保证了热电单元能够在较高的热负荷下工作，克服了直接贴附式设计的不足。
针对便携式电子设备如手机、笔记本电脑的芯片散热和能源供应提出了一种新的有效途径。
热电冷却是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性较高；缺点是效率较低、成本高，只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合，其散热温度低于100，冷却负载小于300W。
Wang】将热电微冷却器用于冷却芯片热点，采用解析法对冷却芯片局部热点的热电微冷却器的制冷量等相关参数进行了理论计算，并通过研究得出使用该冷却方式后，热点的温度可比没有使用热电冷却器情况下降低19，达到良好的散热效果。
Kazuhiko】在Wang的基础上，利用单片电路的薄膜热电微冷却器来消除电子芯片上的热点，指出制冷器的最大制冷量在一定范围内与热电单元的长度成反比，而且存在一个最佳的薄膜厚度和电流大小值，使得冷却密度最大。
23数值模拟数值模拟作为一种近代发展起来的认识事物规律的方法，目前已发展成实验研究与数值模拟各占半壁江山的局面。
对于热电冷却电子芯片散热这一具有复杂传热特性的小尺度热传递过程，数值模拟无疑一种较好的研究方法。
它可以消除各种非理想边界条件带来的误差，从而纯粹地分析某种或某些参数的影响，进而可靠地认识热电冷却过程的换热规律。
Chein和Huang等，哿TEe的冷面温度瓦和冷热面温差71=一看作已知参数，计算TEe的制冷量、结温、制冷系数和与热电冷却器热面相连的热沉热阻。
结果表明：
TEe的制冷量随着的增加或者AT的减小而增大；研究获得的最大的制冷量和芯片结温分别是207W和88，TEe热面的热沉热阻为0054。
当丁0时，TEe可以获得较大的制冷量和较高的制冷系数。
TEe的性能受到了和热电冷却器热面的热沉热阻的限制。
Yang】提出将半导体芯片和热电冷却器结合到一起制成半导体热电微冷却器，用于消除芯片热点的新概念。
该热电微冷却器能将热量通过电流传到芯片的边缘，远离热点，性能优于热电薄膜冷却器。
3结束语将新型热电冷却技术应用到电子芯片散热过程中，可以有效解决电子芯片的局部热点问题。
提高热电材料的制冷效率、优化热电冷却器的运行工况以及合理结合其它散热方式将是热电冷却电子芯片散热研究的重点。
针对国内外研究现状，进一步的热电冷却电子封装热管理研究可以做以下几个方面的工作：
（1）相关性能参数的实验测试搭建实验台，通过实验与热阻分析，测试热电冷却器的导热系数、电阻率、热电转换系数以及最大工作负荷等相关参数，分析有限散热强度下的热电冷却器的散热、冷却性能。
（2）理论分析建立热流管法理论分析模型，分别对有、无热电冷却器两个热传递通道进行理论解析，结合对比实验，分析采用热电冷却散热方式的优缺点。
（3）数值仿真计算采用数值模拟方法，结合热流管分析法，对电子元器件热电冷却散热过程进行仿真计算，并根据计算结果对此热交换系统进行结构与尺寸优化。
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