基于热电冷却的微电子芯片散热系统的传热机理与性能优化

针对微电子芯片热电冷却技术的研究现状，提出"微观尺度-宏观尺度-系统"的跨尺度模式对热电冷却微电子芯片散热系统的热-电传输的微观机理、宏观规律和系统性能进行研究。建立反映纳米尺寸效应的波尔兹曼声子传输方程，从微观角度研究热电制冷器件的电-热传输机理，为制备高优值系数的纳米复合热电材料提供理论基础。建立微电子芯片热电冷却装置性能测试系统，借助红外热成像温度测试技术，对热电冷却系统的强化传热过程与应用性能进行了深入系统研究。同时，提出将"全息仿真"的思想应用于微电子芯片的热管理研究中，以实验测试和数值模拟计算结果为实时数据，按用户要求的热设计要求对散热系统进行参数设计与性能优化。本项目有关热电冷却系统强化传热特性的研究成果为热电冷却技术的应用打下了坚实的理论基础，为微电子芯片的热设计提供重要的参考数据。

高性能的微电子芯片是一个国家科技实力的体现，也是现代军工技术的核心。然而，微电子芯片的性能、可靠性与寿命一直受工作温度及其分布均匀性的影响。本项目针对微电子芯片热管理技术的研究背景和传统冷却技术的不足，建立了微电子芯片热电冷却装置及其性能测试系统。对热电冷却系统的强化传热过程与应用性能进行了深入系统研究。主要研究工作与成果包括以下几个方面：（1）该研究首次研制了微电子芯片热电冷却实验装置，设计了性能测试系统。测试分析结果表明：热电冷却器(thermoelectric cooler, TEC)工作电流对其制冷量、冷热面温差和制冷效率有直接影响，因而可以通过调节工作电流来精确控制芯片表面温度；采用热电冷却和强制对流冷却的芯片表面温度分布标准差分别为0.193和0.745，热电冷却方式的均匀性明显好于强制对流冷却。（2）本研究根据热电效应产生的机理，建立了新的热电冷却过程计算模型并进行了试验验证。结果表明：对于不同的芯片功率，热电冷却系统都存在一个最佳性能状态，在此最佳状态下，TEC热面的热量与芯片发热量在芯片表面达到了“势力平衡”，芯片表面温度最低。在特定芯片功率下，芯片表面温度随TEC工作电流按二次函数关系变化；不同芯片功率下，使冷却系统达到最佳性能状态的TEC工作电流以及此时的芯片表面温度随芯片功率按一次函数关系变化。（3）本研究从系统结构和材料性能方面进行了优化分析。针对各影响参数之间复杂的耦合关系，本研究采用多参数优化理论，结合数值模拟方法，对TEC热面热沉的结构进行优化，获得最佳的热沉结构。将优化后的新型热沉应用于微电子芯片热电冷却系统对发热功率为20W的微电子芯片进行冷却，系统总热阻减小了0.018℃×W-1。通过对热电材料无量纲优值(ZT)的分析发现：TEC材料的ZT值对热电冷却系统的性能有着重要影响，ZT值越大，冷却系统的散热能力越强；当TEC的ZT=1.0时，冷却系统对功率为60W的芯片进行散热，芯片表面温度为84.7℃，要低于传统强制对流冷却的85.6℃，热电冷却系统的散热能力要强于传统的强制对流冷却系统.本项目的研究成果丰富了芯片热管理的理论体系，为微电子芯片的热设计提供重要的参考数据。有关热电冷却系统强化传热特性的研究成果为热电冷却技术的应用打下了坚实的理论基础，并指明了方向。