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。
0.7
Q =25W 0
Q =30W 0
0.6
0.5
0.4
1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3.0 3.3
I/A
图 8 θ1随TEC工作电流的变化 Fig.8 Variation of θ1 at different I
4.2 TEC 自身热阻θ2
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
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，θ1 呈现先下降后上 升的趋势。当 Q0 =20W时，θ1 在工作电流为 2.1A时取得最小值 0.461℃·W-1；当 Q0 =25W时，θ1
在工作电流为 2.4A时取得最小值 0.465℃·W-1；当 Q0 =30W时，θ1 在工作电流为 3.1A时取得最 小值 0.405℃·W-1。
热沉 TEC 模块 CPU 芯片
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
Q0 图 2 热电冷却 CPU 芯片散热系统示意图
Fig.2 Scheme of the TEC cooling system
电冷却CPU芯片散热系统结构示意图。
θ2
= θtotal
− θ1
− θ3
−θ4
−θ5
=
Tchip − Th Q0 + P
− Tchip − Tc Q0
(6)
3 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
方式与实际散热情况相符。TEC 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
108
107
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
110021 TEC 103
发热芯片 105
101
+-
ห้องสมุดไป่ตู้
106
+-
心分别设置测温点 105 和 103，冷热 面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
的增加而增大。 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-electric cooler）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。
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（ θ2 ）随工作电流的增大而降低；系统总热阻（ θtotal ）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（ I opt ）使得 θtotal 最小；并且， I opt 随芯片功率
芯片温度，℃； Q0 为芯片功率，W；θ1为TEC冷面与芯片上表面间的接触热阻，℃·W-1；P 为维持TEC工作的输入功率，W； Tc 和 Th 分别为TEC冷、热面的温度，℃； Qh 为TEC热面散 热量，W；θ2为TEC自身热阻，℃·W-1；θ3为TEC热面与热沉之间的接触热阻，℃·W-1；θ4为 热沉自身热阻，℃·W-1；θ5为热沉与环境间的对流换热热阻，℃·W-1； Ts 为热沉底座温度， ℃； Tfin 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·m-2·K-1； Ta 为环
境温度，℃。系统各热阻的计算关系式如下：
Tchip θ1
芯片 Q0
Tc θ2
TEC
Th θ3
Qh
Ts θ4
Tfin θ5 Ta
散热热沉 h
P 图 3 热电散热系统热阻分析示意图 Fig.3 Schematic diagram of the thermal resistance analysis of the TEC cooling system
片的热量；热沉与 TEC 热面紧密接触，
1
通过风扇的强制对流作用将 TEC 热端
的热量散失到环境中。实验通过调节
2
7
TEC 的工作电流来改变 TEC 制冷量和
3
散热量。在模拟芯片与 TEC 冷面接触面 热界面材料的两侧、TEC 热面以及热沉 翅片上分别布置热电偶，记录整个散热 系统（包括模拟芯片表面、TEC 冷热面 和热沉表面）的温度变化。
θ1
=
Tchip − Q0
Tc
(1)
θ3
=
Th − Ts Q0 + P
(2)
θ4
=
Ts − T fin Q0 + P
(3)
θ5
=
T fin Q0
− Ta +P
(4)
整个散热系统的总热阻 θtotal 为：
θ total
=
Tchip − Ta Q0 + P
(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，
4 热电冷却系统性能分析
4.1 模拟芯片与 TEC 冷面的界面接触热阻θ1
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θ1 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θ1 的影响。
由图 7 可以看出，在风扇电压Uf=8.3V时，θ1 随芯片功率Q0的变化幅度不大，θ1 基本稳定 在 0.451℃·W-1；而当风扇电压Uf=12.0V时，θ1 随芯片功率Q0变化的最大幅度为 0.068℃·W-1， 剔除实验测试坏点的影响，θ1 基本稳定在 0.48℃·W-1。在相同Q0下，θ1 随着Uf的增加而增大。 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 Th 下降，在一定的TEC 运行工况下使得TEC冷面温度 Tc 降低，芯片表面与TEC冷面的温差增大，从而导致接触热阻θ1 随之增大。
空穴
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
吸热
吸热
作环境中去吸热降温，这就是热电制冷
器的工作原理[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
直流电源 图 1 热电制冷过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of thermoelectric cooling process
在典型的热电冷却模块中，对于单个热电冷却单元，根据能量守恒原理，在一系列合理
假设的基础上, 可得到热电冷却器冷端制冷量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
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。Tchip 为
4
5
1-风扇；2-热沉；3-基板；4-TEM；5-芯片；
6
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.4 Structure scheme of the TE cooling system
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
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、
实验开始前，首先要安装及调试实验系统，同时也打开数据采集仪，运行一段时间使温
度显示平稳，尽量减少温度显示误差。考虑到大多数CPU芯片的结温应控制在 90℃以内[12]，
实验中需注意当 Tchip 超过 90℃时关闭芯片电源，停止实验。当TEC的冷热面温差 ΔT < 0 时，
TEC不能起到主动制冷作用，或当TEC工作电流或电压超过最大工作电流或电压时，也停止实 验，避免TEC损坏。
散热风扇和热界面材料。实验选用的热电制冷模块由广东某电子科技有限公司提供，具体型