高密度电子封装热管理中热电制冷技术的应用研究综述.doc

热电冷却电子封装热管理技术研究进展王长宏，朱冬生，雷俊禧（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：随着芯片功率密度的迅速增大以及热点现象的存在，电子封装器件的散热问题一直是制约其发展的瓶颈，寻找新的散热方式来满足日益增长的散热需要已刻不容缓。研究在掌握电子封装热管理理论以及热电制冷原理的基础上，系统地总结了芯片的产热特征、散热需求与散热方式，对热电冷却技术在芯片散热系统上的应用进行了深入的理论分析，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进展与现状进行了总结评述。该研究工作为热电冷却技术在芯片热管理上的应用指明了发展方向。关键词：电子封装；芯片热管理；热电制冷；散热中图分类号：TB61+9.2 文献标示码：A 文章编号: Research Progress on Thermoelectric Cooling Applied in Electronics Packaging Thermal ManagementWang Chang-hong, Zhu dong-sheng, Lei Jun-xi(Educational Ministry Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer & Energy Conservation, school of chemistry and chemical engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)Abstract: As the power density of electronic chip grows fast and the hot spot phenomenon appears in recent years, cooling or heat dissipation of high-heat-flux electronics packaging becomes the obstruction in the development of the electronic industry. So it is urgent to find a new method to meet the heat dissipation capacity of electronics packaging. The heat production characteristics, cooling requirement and heat dissipation mode of electronic chip were summarized systematically based on the theories of electronics packaging thermal management and thermoelectric refrigeration technology. The applications of thermoelectric cooling technology in electronic chip heat dissipation system, including disadvantages and advantages, were deeply analyzed and the in this paper. Furthermore, the research progress and present situation of thermoelectric cooling technology applied in electronics packaging thermal management were reviewed. The studies will pave a way to apply thermoelectric cooling technology in electronics packaging thermal management.Keywords: thermoelectric cooling; electronics packaging; chip thermal management; heat dissipation21世纪，信息科学技术迅猛发展，而微电子技术作为信息技术的基础，它的发展将促进现代电子工业，特别是计算机、通讯和自动化技术的发展。根据摩尔定律及“超越摩尔”的概念，微电子技术一直在向更高性能、更高集成度、更小体积和更智能化的方向发展1-2。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3。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费4。在这种情况下，热电制冷技术在电子元器件散热领域的应用受到了广泛的关注，使用条件严格，对温度反应敏感的电子元器件，要求在恒温下或低温下工作的各种电子元器件，都常用半导体制冷器做成恒温器或使它们维持低温，使它们能够稳定工作并达到最佳的性能状态。热电制冷具有无需任何制冷剂，寿命长，安装简单，可通过控制电流实现高精度的温度控制等的优点，适合应用于电子元器件的冷却5。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。该研究将在掌握热电制冷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深入的理论分析，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总结评述。1 高密度电子封装热管理1.1 高密度电子封装的散热要求电子封装从传统的插孔式发展到今天的表面贴装、BGA（Ball Grid Array, 焊球阵列）、倒装焊、CSP（Chip Size Package，芯片尺寸封装）等封装形式，封装密度越来越高，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6。电子封装器件作为一种功率器件，在工作时会不断地产生热量，为了使器件始终工作在一定的温度范围内，它所产生的热量必须不断地通过某些方式扩散出去，这就为电子封装器件提出了散热要求。上世纪70年代到90年代间，集成电路芯片中的热流密度从约10Wcm-2增加到102 Wcm-2的量级；如图1所示，当前这一数值增大的趋势仍在继续7。如此大的能量密度，如果不能合理地热设计，就会导致微处理器的失效。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，将这部分电能转变为热量，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8。芯片工作温度与其失效率可以采用下式来描述1： (1)式中，为失效率；n为无量纲失效率；T为结点绝对温度，K；Tr为参考温度，K；AE 为活化能，eV；k 为波尔兹曼常数，8.61610-5 eVK-1。图1 芯片最大功率增长趋势图2 芯片失效率与结点温度关系曲线图2为根据式(1)绘制的曲线图。从图中可以看到，当参考温度为100，活化能在0.6-0.8 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他模式的失效，如键合材料的机械蠕变、寄生化学反应、杂质扩散等等。不论对多大尺寸、功率以及什么材料组成的微电子元件，芯片温度都是影响器件可靠性的重要因素之一。因此，采用有效的散热手段，严格控制芯片的工作温度是非常必要的。1.2 电子元器件的散热/冷却方式任何电子器件不可避免地伴随有热量的产生，要提高电子芯片的可靠性以及性能，就必须使热量的产生达到最小的程度。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却/散热技术和结构设计优化，对其温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作1。电子元器件的高效散热问题与传热学、流体力学等知识的应用密切相关。电子器件散热的目的是保证其工作的稳定性和可靠性，这其中涉及了与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面的内容。从应用的角度看，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大小关系，可将各种散热方法分为两大类7-10：1.2.1 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020Wm-2K-1之间。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-2 K-1。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。目前这种散热方式为大多数大功率高密度电子封装器件广泛采用。(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间接冷却。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 )、液冷基板(LCS)等等)从发热元件传递给液体9。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-D或3-D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、可靠性较低等不足。1.2.2 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耗，可靠性也较低。主动式冷却的冷却介质有三种：气体、液体、固体9。气体主动式冷却包括热-声制冷和气体节流制冷；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-电制冷和热电离子制冷两种。热-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。热电制冷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。热电制冷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10。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 热电冷却电子封装热管理技术研究进展与分析2.1 热电制冷原理与热传递方程图3 热电制冷器原理示意图热电制冷也叫半导体制冷是利用半导体材料的温差电效应即帕尔帖效应来实现制冷的一门新兴技术5。 如果把不同极性的两种半导体材料（P型、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。如图3所示为半导体热电制冷器制冷原理示意图11。总的热电效应由五个不同的效应组成，其中塞贝克、帕尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的；另外两种效应：焦耳效应和傅立叶效应则是不可逆热效应。热电制冷是热电效应主要是帕尔帖效应在制冷技术方面的应用，热电制冷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12。对于特定的热电制冷器，怎样及时散去热端的热量是提高热电制冷系数和增大热电制冷量的关键。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，制冷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。对于单个热电制冷单元，综合热电效应包括的五种效应，根据能量守恒，可得到热电制冷器冷端制冷量，热端向环境的散热量Qh，通电流时产生的电压V，消耗的电能W以及制冷效率COP值5： （2） （3） （4） （5） （6）其中，n、p分别为N型和P型热电材料的塞贝克系数；I为工作电流，A；R为热电制冷单元的电阻，；K为总导热系数，Wm-1K-1。从式（6）可以看出，最大COP值是热面温度Th，冷面温度Tc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制冷单位COP的有效途径。2.2 基础理论与实验1822年德国科学家塞贝克发现，如果不同导电材料组成的两个端点处于不同的温度下，回路中就会有电动势产生，而且电动势与温差成正比，其比例系数称为塞贝克系数。1834年法国物理学家Peltier发现了电流的温差制冷效应。1854年英国物理学家开尔文建立了这两个系数的理论关系式5。但是，由于当时这个现象是在金属热电偶中发现的，电子能量差太小，制冷效应十分微弱，因此一直没有得到应用，直至二十世纪五十年代，苏联科学家提出了半导体作热电偶以及半导体化合物固溶体理论，使得温差电制冷得到突飞猛进的发展。而对于热电制冷技术在电子设备与芯片散热/冷却方面的应用，由于其散热强度的限制，直到二十世纪末才引起电子设备热管理专家的兴趣，开始利用其无噪音、无需制冷剂和无运动部件等优势，对TEC在电子设备与芯片系统热管理上的应用进行了较深入的研究。徐德胜和刘贻苓等共同编著的半导体制冷与应用技术一书中，在详细总结了R.E. Simons、R.C. Chu、J.H. Seely以及M. Sittig等有关TEC的电子设备散热/冷却早期研究工作的基础上，对热电制冷技术的原理及其在电子设备热管理上的应用进行了初步的介绍5,14-15。R.E. Simons 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11。Carin Lundquist等提出了以热沉和风扇冷却为主，热电热泵辅助的CPU冷却系统16。该实验系统通过计算需要的散热量，通过控制系统确定热电热泵需要的电压，对其进行辅助冷却。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制冷原理的基础上，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17。陈旭和李元山等指出热电制冷是一种有效的电子设备冷却方式，而经济性是热电制冷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，并分析了热电制冷在巨型计算机热设计应用中的优缺点以及热电对的设计与控制问题，指出在电子设备冷却中，为了寻求冷却效率与能力的平衡，热电制冷器一般工作在最大制冷系数和最大制冷量工况之间12-13。任欣和张鹏等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18。田备年和殷亮等把热电制冷的机理与一般相变制冷的机理进行比较，分析了热电制冷过程的热力学原理。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，最大的影响因素是二种不可逆热效应19。徐超和何雅玲等在对现在电子器件冷却方法进行了总结评述，对热电制冷技术在电子封装热管理方面的原理进行了分析探讨9。Gary L. Solbrekken等根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20。李腾等综述了芯片冷却技术的最新研究进展，在讨论电子元器件产热机理的基础上，对新近出现的典型芯片冷却技术及其应用情况进行了综合分析，并指出：热电制冷，作为主动式固体制冷技术，对未来高功率密度芯片的冷却起着相当重要的作用21。李庆友等对电子元器件的散热方式进行了研究，针对电子设备的散热冷却问题，综述分析了应用研究中不同的散热和冷却方法。指出热电制冷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300W10。在消除芯片局部散热热点方面，G.Jeffrey Snyder等做了相对深入的研究，他对热电制冷器用于消除热点时的热阻分布进行了理论分析，并通过实验对TEC制冷量，TEC电流和冷热端温差T三者之间的关系进行了详细的分析22。Peng Wang等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新型冷却方式后，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23。Kazuhiko Fukutani等在Peng 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24。2.3 解析模型与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，与实验研究相比具有理想性、经济性、以及较高的可靠性而备受学者及工程技术人员的青睐25-26。到目前为止已发展成实验研究与数值模拟各占半壁江山的局面，在某些领域后者的应用广度和深度甚至超过了前者。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。腾明生等编写了电算程序，对热电制冷器在电子设备冷却系统中使用性能进行了计算与优化分析，以获得最佳的应用效果27。Reiyu Chein和Guanming Huang等28-29将TEC的冷面温度和冷热面温差看作已知参数，计算TEC的制冷量、结温、制冷系数和与热电制冷器热面相连的热沉热阻。结果表明：TEC的制冷量随着的增加或者的减小而增大；研究获得的最大的制冷量和芯片结温分别是207W和88，TEC热面的热沉热阻为0.054W-1。当0时，TEC可以获得较大的制冷量和较高的制冷系数。TEC的性能受到了和热电冷却器热面的热沉热阻的限制。Avram Bar-Cohen等30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。同时，采用ANSYS软件对芯片表面的温度场进行了模拟，分析了硅热电微冷却器的尺寸，芯片的厚度和热点的尺寸对散热效果的影响。Jeff Sharp和Jim Bierschenk31重点分析了热电制冷技术在存在局部热点散热的芯片热管理中的应用情况，从热电制冷器应用中热面散热热沉的匹配计算和芯片冷却/散热效率等方面，研究应用热电冷却器的可行性与挑战。综上所述，由于半导体温差材料的性能对TEC的散热/冷却能力的限制，有关热电制冷技术在电子封装热管理方面的应用研究起步较晚。而且，以实验与理论分析为主，大多采用实验测试与数值解析的方法对应用了热电冷却器的芯片散热系统进行性能分析与理论探讨。采用数值模拟与仿真的方法分析系统的散热特点以及TEC的性能优化等研究直到最近才兴起，尤其以Avram Bar-Cohen和Kazuhiko Fukutani为代表做了较多的工作。国内研究者近年来也开始重视TEC在电子封装热管理过程的应用研究，但都只在综述性论文中简单提及，目前还未见有关TEC在电子封装热管理中应用的相关研究成果。因此，有必要对其进行更深入的研究，如何进一步提高热电材料的制冷效率和优化热电制冷器的运行工况将是未来研究的重点。3 结论将新型的热电冷却技术应用到电子芯片散热过程中，可以有效解决因芯片功率密度分布不均而产生的局部热点问题。文章在阐述电子芯片冷却/散热理论以及热电制冷原理的基础上，系统总结了芯片的产热特征、散热需求与散热方式，对热电冷却技术在芯片散热系统上的应用进行了深入的理论分析，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进展与现状进行了总结评述。指出提高热电材料的制冷效率、优化热电制冷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。符 号 说 明失效率k波尔兹曼常数，8.61610-5 eVK-1n无量纲失效率冷端制冷量，WT结点绝对温度，KQh热端散热量，WTr参考温度，KCOP制冷效率AE活化能，eVn、pN型和P型热电材料的塞贝克系数K总导热系数，Wm-1K-1Tc、Th冷、热面温度，KI工作电流，AR热电制冷单元的电阻， 参 考 文 献1. 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