微电子芯片热电冷却系统的传热特性

纳米流体在微通道中的传热特性研究纳米流体是指含有纳米粒子的流体，具有较高的传热性能和流体动力学特性。

近年来，随着纳米材料的发展和应用，纳米流体在微通道中的传热特性研究成为热力学和微流体力学领域的热点之一。

本文将探讨纳米流体在微通道中的传热特性以及其应用前景。

首先，纳米流体在微通道中具有较高的传热性能。

纳米粒子的加入能够增加流体的导热性能，提高热传导率。

通过调整纳米粒子的种类、浓度和尺寸等参数，可以实现对导热性能的调控。

此外，纳米流体还具有较高的比表面积，使得流体与微通道壁面之间的热传递更为充分，进一步提高传热效率。

其次，纳米流体的流体动力学特性在微通道中也发挥重要作用。

纳米粒子的加入可以改变流体的黏性和流动性，在微通道中产生新的流体行为。

例如，纳米流体的雷诺数过渡区较大，呈现出非线性、剥离和再注入等复杂的流动现象。

这些特殊的流体动力学行为既对传热特性的研究提出了挑战，同时也为微流体混合器、分离器、微反应器等微流体器件的设计提供了新的思路和方法。

纳米流体在微通道中的传热特性研究不仅在基础学科上有重要意义，也对实际应用具有广泛的潜力。

首先，纳米流体的高传热性能使其成为微电子器件冷却技术的有力候选。

随着集成电路尺寸的不断缩小，电子器件的功耗急剧增加，需要更加高效的散热方式。

纳米流体的良好导热性能和可调控的流动性质可以实现对微电子器件的快速、均匀散热，提高器件的可靠性和寿命。

其次，纳米流体在能源领域的应用也引起了广泛关注。

纳米流体的高热传导率和可调控的流态特性使其在太阳能集热器、燃料电池、换热器等领域具有广阔的应用前景。

例如，利用纳米流体在微通道中的优良传热性能，可以提高太阳能集热器的热转换效率，实现更高效的太阳能利用。

此外，纳米流体在生物医学领域的应用也备受瞩目。

纳米流体的高比表面积和可控的流动性质使其成为药物传递和细胞操作的有力工具。

通过设计合适的纳米流体体系，可以实现药物的快速、均匀释放，提高疗效。

微小尺度沸腾传热及其在微流道冷却中的应用随着微电子技术的发展，微型电子元器件的集成度和功率密度不断提高，需要更有效的散热技术来保障芯片的正常工作。

微小尺度沸腾传热作为一种高效散热技术，备受关注。

本文将介绍微小尺度沸腾传热的基本原理、特性及其在微流道冷却中的应用。

一、微小尺度沸腾传热的基本原理微小尺度沸腾传热是指液体在微米尺度下形成气泡群，并在液体/气体界面上快速生成和消失，以获得高效的传热过程。

当热表面温度高于液体饱和温度时，液体接触表面因蒸气的产生而被局部蒸发，产生微米级别的气泡，并在液体中迅速增大和减小，形成液体效应的强烈机械振动，在温度的不断变化下，气泡膨胀和收缩，使热表面迅速传递热量。

这种微小尺度下产生的气泡群则会大大增加液体的的空气透明度，提高了热量的传递速度和效率。

二、微小尺度沸腾传热的特性1、高传热系数微小尺度沸腾传热的传热系数比传统传热机制高出数倍甚至数十倍，可以实现高效的热量传递。

比如，在空气冷却器的应用中，微小尺度沸腾传热的传热系数达到200 000 W/m2K，远高于传统的对流传热。

2、低气阻在微小尺度下，沸腾传热产生的气泡群大小小于1微米，能够充分利用微流道的空间，使气阻小，可以在狭小空间中有效地传热。

3、泡点高微小尺度下，沸腾过程中气泡的初始大小和尺寸对传热性能有很大影响。

实验证明，微小尺度沸腾传热的泡点比传统的沸腾传热高，能够减少对应用系统的影响。

三、微小尺度沸腾传热在微流道冷却中的应用1、电子元器件冷却微小尺度沸腾传热被广泛应用于电子元器件冷却中，如CPU、GPU等。

通过微流道芯片的内部进行大功率元器件的传热和散热，可以将功率密度大大提高。

2、能源回收在燃气泄漏或者高温烟气排放等场景中，微小尺度沸腾传热被用于能量回收。

通过将烟气进行冷却，沸腾传热将热量转换成为蒸汽，使能源回收更加高效。

3、生物医学领域微小尺度沸腾传热可以用于生物医学领域的变温培养，可以快速有效地降低培养液的温度，并且可以有效地杀菌消毒。

微热管在电子器件冷却中的应用摘要：电子器件冷却问题是电子器件热设计中的一个关键问题。

简单介绍了几种目前最新颖的微热管在高热流密度电子器件冷却中的应用，包括平板热管、圆棒热管和电流体动力热管。

并对某些前沿的研究现状进行概述，指出了下一步的研究趋势，希望能引起国内同行的关注。

关键词：微热管；电子器件；冷却1 引言电力电子装置正向着功能越来越完善而体积越来越小的方向发展，在电力电子装置内部产生的高热流密度对装置的可靠性造成极大威胁。

对电力电子装置失效原因的统计表明，由于高温导致的失效在所有电子设备失效中所占的比例大于50％，传热问题甚至成为电力电子装置向小型化方向发展的瓶颈。

微热管则是随着微电子技术的发展而发展起来的一门新兴技术。

随着电子元件集成密度的增加，其产生热量的散逸变得困难。

电子元件除了对最高温度有要求外，对温度的均匀性也提出了要求。

作为一项很有发展前景的技术，微型热管正是应用于电子元件中，以提高热量的导出率和温度的均匀化。

由于其尺寸小，可减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快，因此有着广阔的应用前景。

例如，流体的微量配给、药物的微量注射、微集成电路的冷却及微小卫星的推进等。

笔记本电脑CPU的冷却已有相当一部分采用微型热管解决，一般微型热管的直径为3 mm左右，它与现有的风扇加热沉结构相比有明显的优点。

针对电子冷却的特定要求，现已开发了重力辅助热管柔性回路热管、平板型电子冷却热管和微型空气对空气换热管等多种微型管。

直接埋入芯片硅衬底中的微型热管已经开发，可代替在集成电路中起导热作用的金刚石膜。

这种微型热管的体积已小到热管中蒸汽和液体界面尺寸跟热管的水力半径可比的程度。

已开发的这种微型热管的稳态计算机模型能计算热管的传热量。

但与芯片一体化的热管在实际的工程使用中还很不完善。

目前的散热是用导热系数很高的金刚石，由于代价很高，正面临替代的问题。

为缩小体积，可进行热管和散热元件的一体化设计。

热电制冷芯片介绍初来乍到奉献一篇文章，是介绍热电制冷芯片的。

作者应该是为台湾人，在文章中他称之为热电致冷芯片，但是现在在国内用的比较多的称呼是热电制冷芯片。

热电致冷芯片(Thermoelectric Cooling Module)及温差发电芯片(Thermoelectric Power generating Module)的理论基础早在19世纪初即被科学家发现。

公元1821年(约180年前)德国科学家Thomas Johann Seebeck (1770-1831)发布塞贝克效应(Seeback Effect)此效应为日后研发温差发电芯片的基础。

随后不久(1834)，法国表匠Jean Charles Athanase Peltier也发布了珀尔帖效应(Peltier Effect)此效应为日后研发致冷芯片的基础。

但是当时并无今日发展神速的半导体工业，科学家无法利用以上两个效应来研发创造新的产品。

直到1960年(约40年前)，靠着半导体工业的配合，致冷芯片与发电芯片才问世。

致冷芯片的名称热电致冷芯片的名称很多。

如热电致冷模块(Thermoelectric Cooling Module)，热电致冷芯片(Thermoelectric Cooling Chip)，制冷芯片，热电致冷器(Thermoelectric Cooler)，珀尔帖致冷器(Peltier Cooler)，珀尔帖单体(Peltier Cell)，也有人称它为热泵(Heat Pump)。

在中国大陆，最普遍的名称为半导体致冷器。

笔者浅见，若改称固态式致冷器(solid state cooler)会更加贴切。

致冷芯片的优点热电致冷芯片与传统冷冻压缩机互相比较，有优点，但也有缺点。

它的体积小，无噪音，不使用冷煤，因此无环保公害。

寿命长。

可倒立或侧立使用，无方向的限制。

特别适用于航空器或太空舱。

造价较高，但日后几乎不需维护。

致冷芯片的缺点它最大的缺点是能源转换效率低。

微流体冷却芯片微流体冷却芯片是一种用于散热的新型技术，它在电子设备的高温环境下发挥着重要的作用。

本文将介绍微流体冷却芯片的原理、优势以及在实际应用中的一些案例。

微流体冷却芯片利用微小通道将冷却介质引导至电子芯片附近，通过微小的水流来吸收和带走芯片产生的热量，从而实现对芯片的高效冷却。

相比传统的散热方式，微流体冷却芯片具有以下几个优势。

微流体冷却芯片具有更高的热传导效率。

由于微通道的尺寸非常小,冷却介质可以更加接近芯片表面，从而提高了热传导效率。

相比之下，传统的散热方式通常需要通过散热片等辅助装置来增加热传导面积，但效果并不理想。

微流体冷却芯片可以实现更精确的温度控制。

通过微流体冷却芯片,可以将冷却介质引导到芯片的不同区域，从而实现针对性的冷却。

这对于一些对温度要求非常严格的应用场景非常重要，例如激光器、高性能计算机等。

微流体冷却芯片还可以实现节能效果。

传统的散热方式通常需要消耗大量的能量来维持散热片的温度，而微流体冷却芯片则可以利用流体的流动来带走热量，从而减少能量的浪费。

在实际应用中，微流体冷却芯片已经得到了广泛的应用。

例如，在电子设备领域，微流体冷却芯片可以用于高性能服务器、手机等设备中，有效地降低了芯片的工作温度，提高了设备的稳定性和寿命。

此外，微流体冷却芯片还可以用于光电器件、生物芯片等领域，为这些领域的发展提供了新的可能性。

然而，微流体冷却芯片也面临着一些挑战和限制。

首先，微流体冷却芯片的制造成本较高，需要采用微纳加工技术来实现微小通道的制造。

其次，微流体冷却芯片的设计和优化也是一个复杂的工程，需要考虑流体的流动特性、热传导特性等多个因素。

微流体冷却芯片作为一种新型的散热技术，在电子设备领域发挥着重要的作用。

它具有高热传导效率、精确的温度控制和节能等优势,已经在多个领域得到了广泛应用。

随着技术的进一步发展和成熟，相信微流体冷却芯片将在未来发展出更多的应用场景，为各个行业带来更好的散热解决方案。

半导体冷却制冷方案1.引言1.1 概述在半导体器件的运行过程中，发热是一个普遍存在的问题。

过高的温度不仅会降低半导体器件的性能和可靠性，还可能导致设备的损坏甚至失效。

因此，半导体器件的冷却问题一直是一个重要的研究领域。

本文将探讨半导体冷却制冷方案，旨在解决半导体器件发热问题，提高其工作效率和稳定性。

随着技术的不断进步，冷却技术也在不断发展，目前已经涌现出许多高效的半导体冷却制冷方案。

通过对传统冷却技术的介绍和分析，我们可以看到其存在的一些问题和局限性，比如制冷效果有限、能耗较高等。

为了解决这些问题，研究人员提出了一些新的制冷方案，如热管技术、热电制冷技术、基于纳米材料的制冷技术等。

热管技术是一种基于热传导原理的高效冷却技术，通过高热导率的工质在内外两侧建立热传导通道，实现热能的快速传递和散发。

热电制冷技术则是利用热电材料的特性，通过热电效应将热能直接转化为电能或者将电能转化为热能，从而实现对半导体器件的冷却。

此外，基于纳米材料的制冷技术也引起了研究人员的兴趣。

纳米材料由于其特殊的尺寸效应和表面效应，在制冷领域具有巨大的潜力。

例如，纳米流体冷却技术利用具有高热导率和较大比表面积的纳米流体对半导体器件进行冷却，可以实现更高效的热传导和散热效果。

总的来说，半导体冷却制冷方案是一个非常重要和前沿的研究课题，对于提高半导体器件的性能和可靠性至关重要。

本文将对冷却技术概述和半导体冷却制冷方案进行详细介绍和分析，旨在为相关研究和应用提供一定的参考和指导。

文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍本文的组织结构和各个章节的内容安排。

通过正确的结构分布，读者能够更加清晰地理解文章的思路和逻辑关系。

本文分为引言、正文和结论三个部分。

引言部分主要由三个方面组成：1.1 概述：对半导体冷却制冷方案的背景和重要性进行简要介绍。

解释半导体冷却作为一种制冷技术的关键性质和具体应用领域。

1.2 文章结构：给出本文的整体结构和各章节的摘要，以帮助读者更好地理解和阅读整篇文章。

DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.04.008嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应邱云龙，胡文杰，吴昌聚，陈伟芳(浙江大学 航空航天学院，浙江 杭州 310027)摘 要：通过实验测试结合理论分析，研究嵌入式微通道冷却系统的传热特性及局部热点的尺度效应. 测试芯片加工采用MEMS 工艺，微通道层与顶层之间的连接采用硅硅直接键合，芯片与电路板（PCB ）之间的连接采用倒装焊接. 研究结果表明，采用嵌入式微通道设计极大地缩短了微芯片到微通道的导热距离，可以显著地减小微芯片到环境的热阻. 根据测试结果可知，在100 W/cm 2均匀热流密度的条件下，使用6.84 mW/cm 2的泵功，可以将模拟IC 热源的温升控制到小于40 K ，能效比超过14 000. 在非均匀热流密度的条件下，局部热点的存在会增大导热热阻在总热阻中的占比，局部热点尺度越小，热点附近的侧向热传导越严重，导热热阻越大，这减小了对流换热热阻在热点区域总热阻中的占比，使得增大对流换热系数带来的总热阻降低效果减弱.关键词： 芯片冷却；微通道；MEMS ；局部热点；热阻；对流换热中图分类号： TN 30 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2021）04−0665−10Heat transfer performance and scale effect of hot spots inembedded microchannel cooling systemQIU Yun-long, HU Wen-jie, WU Chang-ju, CHEN Wei-fang(School of Aeronautics and Astronautics , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China )Abstract: An experimental and theoretical study was presented to analyze the heat transfer performance and thescale effect of hot spots in embedded microchannel liquid cooling system. MEMS micromachining was used to fabricate the test chip, silicon-to-silicon direct bonding was used to bond the microchannel layer to the silicon cover,and Flip-chip bonding was used to bond the test chip to a printed circuit board. Results show that the embedded-microchannel design greatly reduces the thermal conduction distance from the microchip to the microchannel,resulting in a low thermal resistance from the microchip to environment. The test results show that the temperature rise of the simulated IC under a uniform heat flux of 100 W/cm 2 can be controlled within 40 K using only 6.84 mW/cm 2 of pumping power with a coefficient of performance exceeding 14 000. The existence of hot spots increases the proportion of the heat conduction resistance in the total thermal resistance of the hot spot area under a non-uniform heat flux. The smaller the size of the hot spot area was, the more serious the lateral heat conduction was and the thermal conduction resistance became larger, which indirectly reduced the proportion of the heat convection resistance in the total thermal resistance of the hot spot area. Then the benefit of increasing the convective heat transfer coefficient on decreasing the total thermal resistance of the hot spot area was decreased.Key words: chip cooling; microchannel; MEMS; hot spot; thermal resistance; heat convection随着工艺的不断进步，电子设备的集成度变得越来越高[1-4]. 在芯片性能持续增长的同时，芯片的散热问题变得更严峻. 下一代电子芯片的平均热流密度预计将达到150 W/cm 2，局部热点的热流密度更是将达到平均热流密度的一个量级以上[5-6].近年来，嵌入式微通道液冷技术凭借其极高的能效比和冷却效率，受到了广泛关注[7-10]. 该技术通过刻蚀等手段直接将微通道加工在芯片的背面，收稿日期：2020−09−15. 网址：/eng/article/2021/1008-973X/202104008.shtml 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51575487）；国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（6162790014）.作者简介：邱云龙（1992—），男，博士生，从事微电子冷却与微流控技术的研究. /0000-0002-2873-743X.E-mail ：***************.cn通信联系人：吴昌聚，男，副教授. /0000-0002-7423-3371. E-mail ：*****************.cn第 55 卷第 4 期 2021 年 4 月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.55 No.4Apr. 2021将传统分离式液冷技术的热传输过程从IC-TIM-封装外壳-TIM-微通道-流体简化为IC-微通道-流体，因此可以极大地降低从IC到微通道的导热热阻，从而显著地增强芯片的散热能力.由于芯片很薄，微通道层的横向热传导热阻较大，这使得芯片的局部热点问题变得更显著. 目前，芯片局部热点的冷却方法主要有2种：基于半导体制冷的主动式热点降温、基于微通道结构优化的被动式热点降温.基于半导体制冷的主动式热点降温技术是通过在芯片或封装内集成热电材料，通过减小导热热阻抑制局部热点区域的温升. Hao等[11]通过热电制冷，将直径为0.5 mm、热流密度为600 W/cm2的圆形局部热点区域的温升从13.9 K降低至3.2 K. Wang等[12]研究发现，TEC的接触热阻对TEC热点降温效果的影响较大. Manno等[13]研究发现，TEC 的热点降温效果随着SiC基底厚度的减薄而逐渐提高.基于微通道结构优化的被动式热点降温技术是通过提高局部对流换热系数或者增大对流换热面积等方式，以减小对流换热热阻的方式降低局部热点区域的温升. Lee等[14-15]设计斜向微肋片结构，通过调节增大热点区域的微肋片密度，可以有效地降低芯片局部热点区域的温升. Sharma等[16-17]研究优化微通道流动入口对芯片局部热点区域的冷却效果. Nasr等[18]根据两相流的散热均匀性，研究微通道两相流技术的热点冷却效果. Waddell 等[19]研究射流技术在局部热点冷却中的应用，研究结果表明，局部的对流换热系数提高了约495%.综上所述，通过主动或被动方式降低导热热阻或对流热阻均能够在一定程度上抑制局部热点区域的温升，现有的研究大多是从实现方式的角度研究各种可以用于电子芯片局部热点冷却的技术手段，缺乏导热热阻和对流热阻对芯片局部热点温升情况影响性的相关研究. 在缺少理论指导的情况下，若在导热热阻占比相对较大的局部热点区域盲目使用基于对流换热增强的局部热点冷却技术，则会出现降温效果差且功耗浪费严重的情况. 为了给芯片局部热点区域的热设计工作提供理论指导，基于MEMS工艺设计带有多尺度局部热点的嵌入式微通道冷却芯片. 通过实验测试结合理论分析的方式，研究芯片局部热点尺度变化对热点区域附近热传输过程的影响，得到不同尺度局部热点温升情况的主要影响因素.1 实验系统与实验步骤1.1 实验系统如图1所示，实验系统由恒温水槽、T型过滤器、齿轮泵、齿轮流量计、测试芯片及数据采集系统6部分组成，冷却介质为去离子水. 其中，恒温水槽的温度保持为298.15 K，温度波动率小于0.05 K. T型过滤器安装在齿轮泵之前，以防止杂质进入泵体损坏齿轮，过滤精度为15 µm. 在测试芯片的出、入口各布置测温口和测压口，用于测量冷却工质流经测试芯片前、后的温升与压降. 测温口安装在测压口外侧，目的是防止安装热电偶引起的额外压降对压降测量产生影响. 组装完成后，在测试芯片的表面涂覆一层环氧树脂，用于减少芯片外表面自然对流换热引起的热量损失.25 ℃恒温水槽过滤器齿轮泵流量计计算机采集卡测温口测温芯片图 1 实验系统示意图与测试芯片实物照片Fig.1 Schematic diagram and photo of experimental setup1.2 测试芯片测试芯片长度为23 mm，宽度为14 mm，共包含4层，从下到上依次是厚度为20 nm/200 nm的Ti/Pt电极层、厚度为0.2 mm的硅基底、厚度为0.3 mm的微通道层和厚度为0.5 mm的硅顶层.如图2所示为Ti/Pt电极层的结构及其与微通道覆盖区域（蓝框）的相对位置. 测试芯片共含有2个型号，2个型号的微通道层结构完全相同. 微666浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷通道层的长度为14.4 mm ，宽度为6.6 mm ，共包含11条平行的矩形微通道，每条微通道的宽度和相邻微通道的间隔均为0.3 mm. 详细的微通道层结构图可以参考笔者等[20]前期的相关工作.如图2所示，Ti/Pt 电极层共包含6个大型加热/测温电阻和7个小型加热/测温电阻. 1号芯片主要用于研究大尺度局部热点（LHS ）的传热特性，在1号芯片中，6个大型金属薄膜电阻的尺寸完全相同，长度为4.6 mm ，宽度为2.9 mm ，流向间隔为0.3 mm ，横向间隔为0.8 mm ，沿微通道流动方向依次命名为A 、B 、C ；在侧向上使用后缀1和2加以区分. 大型电阻具有以下3方面的作用：1）提供50~100 W/cm 2的背景热流密度，用于模拟IC 芯片的整体发热；2）通过调节单个大型电阻的输入热流密度，可以模拟大尺度局部热点对IC 散热的影响；3）根据温度-电阻标定关系，可以通过测量各个大型电阻的阻值，计算大型电阻覆盖区域的温度. 7个小型金属薄膜电阻位于微通道阵列中心，沿微通道流动方向依次命名为S 1, S 2, ······, S 7.小型电阻的长度为0.345 mm ，宽度为0.3 mm ，间隔为1.815 mm ，默认情况下不进行加热. 小型电阻有以下2方面的作用：1）通过调节单个小型电阻的输入热流密度，可以模拟小尺度局部热点（SHS ）对IC 散热的影响；2）根据温度-电阻标定关系，可以通过测量各个小型电阻的阻值，计算小型电阻覆盖区域在均匀热流密度或局部过热情形下的温度. 如图2所示，在1号芯片中，小尺度局部热点位于微通道底部；在2号芯片中，小尺度局部热点位于微肋片底部，通过比较两者在相同工况下的温升差异，可以得到小尺度局部热点与微通道的相对位置对传热特性的影响.局部热点的尺度效应主要体现在以下2个方面：热传导和热对流. 在热传导方面，随着局部热点尺度的减小，局部热点区域向周围区域的侧向热传导逐渐增强，导致导热热阻在总热阻中的占比增大；在对流换热方面，当局部热点尺度远远大于微通道特征长度时，微通道的局部对流换热性能差异可以忽略，当局部热点尺度与微通道特征长度相当时，微通道局部的对流换热性能差异不可忽略.测试芯片的工艺流程如图3所示.1）步骤1）~4）：使用干法刻蚀，在0.5 mm 厚的硅片A 上加工出深度为0.3 mm 的微通道阵列.2）步骤5）：使用激光打孔，在硅片B 上加工出直径为2 mm 的出、入水口.3）步骤6）：使用高温熔融技术，实现硅片A 与硅片B 的直接键合.4）步骤7）、8）：在键合片背面使用热氧化与PECVD ，制作50 nm/500 nm 厚的二氧化硅/氮化硅绝缘层.5）步骤9）~13）：使用磁控溅射与离子束刻蚀，在绝缘层上加工20 nm/200 nm 的Ti/Pt 电极.6）步骤14）：使用倒装焊接技术，实现芯片与PCB 之间的电路连接.图4给出微通道阵列的SEM 照片. 可知，微通道阵列的加工质量较好，表面较平整、光滑，微通道侧壁面与微通道底面的垂直度较高，这在较大程度上减小了加工误差对实验结果的影响.1.3 参数定义在定义传热参数前，评估由PCB 板导热和芯片外表面自然对流换热导致的加热功率损失. 流体吸收的总功率q e 可以通过芯片出入口流体的6.62.94.64.62.66.6流动方向1 号芯片2 号芯片1 号芯片小型电阻与微通道的相对位置说明2 号芯片从左到右依次为 S 1, S 2, ……, S 70.30.345A 1A 2B 1B 2C 1C 214.4单位: mm图 2 Ti/Pt 电极层的结构图Fig.2 Structure of thin-film Ti/Pt resistance第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.667能量守恒关系计算得到：∑q i ∑q i式中：ρ为流体的密度；c p 为流体的比定压热容；q V 为冷却介质的体积流量；T in 和T out 为测试芯片入口和出口处流体的平均温度，在实验过程中将来流温度和环境温度均控制为298.15 K. 比较总输入电功率与q e 可以发现，两者的差异小于1.3%. 考虑到热损功率很小而分布较复杂，为了便于计算，忽略了热损功率的影响，直接采用计算IC-环境总热阻：¯Th 式中：为由大型电阻测量得到的IC 热源面的平均温度，q i 为IC 热源面各电阻的加热功率.θ0由3部分组成，分别是IC-微通道导热热阻θcd 、微通道对流换热热阻θcv和流体温升热阻θf .θcd 的计算式为式中：d 为IC 向微通道导热的等效厚度，由于微通道是四面加热情形，d 取微通道中心到IC 热源面的距离，等于0.35 mm ；k 为单晶硅的热导率，该数据由厂家提供，约为130 W/（m·K ）；A 为微通道的覆盖面积，等于95.04 mm 2.θθ单位面积泵功J 的计算式为式中：P 为芯片出入口的压降.大型电阻和小型电阻的电阻-温度关系由恒温水槽与台式万用表标定得到. 标定时，将测试芯片放入PE密封袋，排出袋内空气，使得芯片紧贴PE 薄膜. 阻值测量采用四线制，当测量得到的Si光刻胶SiO 2Si x N yTi Pt PCB1) 甩胶8) 沉积氮化硅绝缘层 (PECVD)2) 光刻图形化9) 溅射 Ti/Pt 电极3) 深硅刻蚀 (BOSCH 工艺)10) 甩胶4) 释放光刻胶11) 光刻图形化5) 激光打孔12) 电极刻蚀 (离子束刻蚀 IBE)6) 硅硅键合13) 释放光刻胶7) 热氧化14) 倒装焊接图 3 测试芯片的制造流程Fig.3 Fabrication process of test chip(a)200 μm500 μm (b)图 4 微通道阵列的SEM 照片Fig.4 SEM photos of microchannel array668浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷阻值在0.5 h内的变化幅度小于±0.03 Ω时，认为达到稳定. 拟合得到的电阻-温度关系式如下所示.计算结果如表1所示.表 1 各测量参数的不确定度Tab.1 Experimental uncertainties of measurements类别参数不确定度直接测量量冷却介质体积流量±0.5%直接测量量来流（环境）温度±0.2 K直接测量量小型电阻温度±0.42 K直接测量量大型电阻温度±0.45 K直接测量量压降±4.5%（max）间接测量量IC-流体总热阻±5.0%（max）2 结果与讨论2.1 均匀热流密度条件下的传热特性如图5所示为在100 W/cm2均匀热流密度条件下，测试芯片的各热阻分量θi及其在θ0中的占比随q V的变化情况. 如图5（a）所示，采用嵌入式微通道冷却技术极大地减小了IC-环境总热阻，在q V = 72 mL/min的工况下，IC-环境总热阻仅为0.49 W/K，对应的压降和单位面积泵功仅为5.4 kPa 和6.84 mW/cm2. 在IC-环境总热阻中，微通道对流换热热阻占主导地位；其次是流体温升热阻，IC-微通道导热热阻的占比很小. 随着微通道体积流量的提高，微通道对流换热热阻与流体温升热阻同步减小，但观察图5（b）可知，流体温升热阻的减小速度明显快于微通道对流换热热阻，当q V从24 mL/min提高至72 mL/min时，流体温升热阻的占比从35.2%下降至20.4%，微通道对流换热热阻的占比从61.5%提高至74.2%. 由于IC-微通道导热热阻为常数，随着微通道对流换热热阻与流体温升热阻的减小，IC-微通道导热热阻的占比逐渐提升；由于IC-微通道的导热热阻较小，当体积流量从24 mL/min提高至72 mL/min时，IC-微通道导热热阻的占比仅从3.3%提高到了5.5%.2.2 大尺度局部热点的传热特性φuφbφA1φB1φC1如图6所示为在均匀热流密度条件下，当存在大尺度局部热点区域时，模拟IC上各加热区域相对于环境的温升T. 图中，为均匀热流密度，为背景热流密度，、、分别为A1、B1、C1区热流密度. 由图6（a）、（b）可知，当某一加热区域的热流密度从50 W/cm2升高至100 W/cm2时，该热点区域的温度会明显升高. 对于微通道散热结构，微通道中的温度边界层沿流动方向逐渐增厚这一特性使得对流换热性能随流动距离的增加逐渐降低，且流体在沿微通道流动的过程中将吸收来自各个加热区域的热量，使得自身温度不断提高. 在上述2种效应的影响下，热点区域越靠近下游，当地温升越高，越容易引起冷却系统失效.以图6（b）、（d）为例，当局部热点区域位于靠近微通道入口的A1区域时，热点区域的温升约为26.1 K；当局部热点区域位于靠近微通道出口的C1区域时，热点区域的温升高达38.0 K. 上述现象表明，在设计芯片散热系统时，应将微通道的入口区域布置在高热流密度区域.图 5 芯片各热阻分量及其在IC-环境总热阻中的占比随微通道体积流量的变化情况Fig.5 Variations of thermal resistance components and their propor-tion in total IC-ambient thermal resistance with flow rate第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.669在某些应用场景下，如高精密光学系统，除IC-环境温升外，IC 的温度稳定性也是重要指标. 该指标主要关注的是热流密度变化时IC 的温升变化量ΔT . 如图6（f ）所示，当某一加热区域的热流密度突然升高时，周围加热区域将受到不同程度的影响.热点区域下游加热区域的温升变化量ΔT 明显高于热点区域上游及侧向上的加热区域，这主要是因为大尺度热点区域热流密度增长需要的额外功率较高，这部分额外功率会显著地提高流经该热点区域的流体温度，间接地增大了热点区域下游的温升变化量ΔT . 这一现象说明，若IC 中存在多个大尺度局部热点区域，为了降低整体的IC-环境温升和提高IC 的温度稳定性，在设计微通道时应使微通道的流动方向与这些大尺度局部热点区域的分布方向垂直，以防止上游的大尺度局部热点进一步加剧下游大尺度热点区域的温升.如图7所示，比较了均匀热流密度条件下与存在大尺度局部热点时，各个加热区域的当地IC-式中：T h,i 为各加热区域的平均温度；T f,i 为各加热区域对应的微通道区域的流体平均温度，T f,i 采用能量守恒计算得到，具体估算方法为T f,i 是在忽略侧向热传导的前提下推导得到的，因此T f,i 与真实的当地流体平均温度有一定的差异，仅可用作定性分析.在流体温度变化不剧烈的前提下，可以认为当体积流量不变时，微通道对流换热热阻受局部热点的影响可以忽略不计. 由式（9）可知，图7中各个工况下的当地IC-流体热阻变化主要反映LHS 区域热流密度增长对IC-微通道导热热阻的影响.比较图7的前两个柱状图可知，在均匀热流密度的条件下，功耗对IC-环境热阻的影响不大，差异主要来自于流体物性变化引起的雷诺数增长. 通过比较上（A 1-A 2）、中（B 1-B 2）、下（C 1-C 2）加热区域的当地IC-流体热阻可知，位于微通道上游的加热区域的当地IC-流体热阻明显小于微通道中游与下游的加热区域，微通道中游与下游加热区域的当地IC-流体热阻差别不大. 在非均匀热流密度条件下，由于局部热点区域的温度升高，该区域加热功率增长量中的一部分将通过热传导传递至四周，导致周围加热区域的温度升高；当计算加热区域的当地IC-流体热阻时，仅考虑加热区自身的加热功率，因此当存在局部热点区域时，局部热点区域的当地IC-流体热阻减小，周围加热区域的当地IC-流体热阻增大.比较图7中大尺度局部热点区域位于A 1、B 1和C 1区时的当地IC-流体热阻可知，当局部热点位于A 1区时，当地IC-流体热阻的下降幅度（相对于50 W/cm 2均匀热流密度时的数值）约为16.02%，这一数值明显小于局部热点位于B 1区与C 1区时的当地IC-流体热阻下降幅度（20.81%和20.82%）.为了解释上述现象，在图8中建立热点区域热点热流密度增长引起的各区域 IC-环境温升变化量A 1A 2B 1B 2C 1C 2加热区域LHS 位于 A 1LHS 位于 B 1LHS 位于 C 1图 6 q V = 60 mL/min 条件下，大尺度局部热点对模拟芯片温升的影响Fig.6 Effect of large-scale hot spot on temperature rise of simu-lated IC at q V = 60 mL/min670浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷φ的热阻简化模型，用于研究局部热点区域加热功率增长量在侧向上的损失情况. 图中，Δ为局部热点区域热流密度的增长量. 为了便于理论分析，将热点区域与周围区域的导热过程简化为硅基底中心之间的横向热传导，将硅基底在法向上的热传导简化为一维.如图8所示，局部热点位于不同流向位置时的影响性主要体现在以下2个地方. 1）对流换热系数h 1和h 2的变化. 2）侧向热传导温差T c1−T c2的变化. 对于大尺度局部热点，θ3中的距离项x 远大于θcd1、θ2、θ4中的距离项d ，θ4中的面积项A t 远小于θ1、θ2、θ5中面积项A v1和A v2，由此可知，θ4 >> θ1、θ2、θ5. 对于嵌入式微通道冷却系统，如图5所示，由于硅基底的导热性能较好且厚度较小，在特征面积相近的情况下，对流换热热阻远大于导热热阻，即θ3 >> θ1、θ2，θ6 >> θ5. 综合上述分析可知，大尺度局部热点的侧向导热功率在总加热功率中的占比主要由θ3、θ4、θ6对应的传热过程决定，即大尺度局部热点处的当地IC-流体热阻下降情况主要由h 1、h 2及T c1−T c2决定. 当局部热点区域位于上游位置时，h 1较大，T c1−T c2较小，侧向热传导功率在总输入功率增长量中的占比较低，因此由侧向热传导引起的当地IC-流体热阻降低的幅度较小. 当局部热点位于下游位置时，h 2较小，T c1−T c2增大，侧向热传导功率在总输入功率增长量中的占比较高，因此由侧向热传导引起的当地IC-流体热阻降低的幅度较大. 上述分析说明当大尺度局部热点位于A 1区时，尽管对流换热系数较大，但是由于沿传热主路的功率同步增大，当局部热点分别位于A 1、B 1和C 1区时热流密度上升造成的ΔT 之间的差别明显小于均匀热流密度情形下这3个加热区域IC-环境温升T 的差别.2.3 小尺度局部热点的传热特性图9给出在q V = 60 mL/min 的条件下，当小尺度局部热点区域（SHS ）热流密度从0增长至870 W/cm 2时，1号芯片标记区域S 1~S 7的温升变化量. 比较图9、7（f ）可知：1）SHS 对下游区域的影响性小于LHS 对下游区域的影响性；2）当SHS 位于不同位置时，热点区域热流密度变化引起的温升变化量ΔT 之间的差别小于LHS （SHS 最大偏差为5.37%，LHS 最大偏差为13.46%）. 现象1）主要是因为对A 1A 2B 1B 2C 1C 2加热区域φu =50 W/cm 2φu =100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φB 1=100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φC 1=100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φA 1=100 W/cm 2图 7 在q V = 60 mL/min 的条件下，大尺度局部热点对各区域当地IC-流体热阻的影响性Fig.7 Effect of large-scale hot spot on thermal resistance of microchannel heat sink at q V = 60 mL/min对流换热T f, 1, h 1T f, 1, h 1T f, 2, h 2θ3=1/(h 1A v1)θ6=1/(h 2A v2)θ2=d /(2kA v1)θ5=d /(2kA v2)θ1=d /(2kA v1)θ4=x /(2kA t )T c1T c1T c2T s1T s2T c2ΔT ΔT T f, 2, h 2ΔφΔφ侧向热传导传热主路传热支路图 8 热点区域的热阻简化模型Fig.8 Simplified thermal resistance model for hot spot area第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.671于SHS ，尽管热点区域热流密度的增长程度较大，但是由于SHS 面积较小，实际传递给微通道流体的功率较小，流体的温度变化不明显，所以SHS 下游区域受热点区域热流密度变化的影响相对较小. 现象2）的产生过程相对较复杂，具体阐述如下：对于SHS ，x 与d 、A t 与A v1均在同一个量级，θ4显著减小，侧向热传导加强，有相当一部分热量将沿传热支路进入流体. 当侧向热传导功率增大时，局部热点的影响范围扩大，此时A v2 >> A v1（θ5与θ6减小）. 受θ4、θ5、θ6变化的影响，图8中T c1至T f1和T f2的热阻显著减小；θ1在IC-流体热阻中的占比提高，对于小尺度局部热点，由热点位置改变引起的对流换热系数变化对热点区域额外温升的影响相比于大尺度局部热点进一步减小.φSHS 如图10所示为背景热流密度对1号芯片小尺度局部热点（SHS ）温升变化量ΔT 的影响. 图中，为SHS 区域热流密度. 如图10所示，增大背景热流密度会进一步增大SHS 的温升变化量ΔT ，微通道上游区域（S 1、S 2）的增大程度明显小于微通道下游（S 3~S 7）. 结合图8的热阻模型可知，背景热流密度对热点区域的影响性主要体现在图8中θ4右端的温度T c2上；当背景热流密度增大时，T c2增大，θ4两侧的温差减小，因此通过热传导进入传热支路的功率减小，有更多的热量将沿着传热主路进入流体，造成了热点区域ΔT 的增长. 对于靠近微通道入口的S 1、S 2区域，对流换热系数较大，分析图7可知，当热点区域对应的微通道表面的对流换热系数较大时，侧向热传导功率在总输入功率中的占比较小，因此T c2增大引起的侧向热传导功率降低量对传热主路功率的影响较小，即当SHS 位于S 1、S 2区域时，背景热流密度的变化对热点区域额外温升的影响程度较轻.图11描述了小尺度局部热点（SHS ）与微通道之间的相对位置对SHS 区域温升变化量ΔT 的影响. 当SHS 位于微肋片底部时，热点区域到对流换热面的导热距离增加，直接导致在垂向上的导热热阻（图8中θ1、θ2）增大；对于高宽比相近的S 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7标记区域热点位于 S 1热点位于 S 2热点位于 S 3热点位于 S 5热点位于 S 6热点位于 S 7热点位于 S4图 9 q V = 60 mL/min 条件下，1号芯片SHS 区域热流增长引起标记区域S 1~S 7的温升变化量ΔT Fig.9 Effect of heat flux increase in SHS area on temperature rise of S 1 to S 7 of No.1 chip at q V = 60 mL/min图 10 q V = 60 mL/min 条件下，1号芯片背景热流密度对小尺度局部热点区域温升变化量ΔT 的影响Fig.10 Effect of background heat flux on SHS temperature rise ofNo.1 chip at q V = 60 mL/min图 11 当背景区域热流密度为50 W/cm 2，SHS 区域热流密度为870 W/cm 2时，小尺度局部热点与微通道相对位置对ΔT 的影响Fig.11 Effect of relative location between SHS and microchannelon SHS temperature rise with background heat flux of 50 W/cm 2 and SHS heat flux of 870 W/cm 2672浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷。

半导体制冷芯片工作原理半导体制冷芯片是一种常见的制冷技术，广泛应用于电子设备、医疗设备、汽车空调等领域。

它的工作原理是基于热电效应和半导体材料的特性。

我们来了解一下热电效应。

热电效应是指在某些材料中，当两个不同温度的接触点之间存在温度梯度时，会产生电压差。

这种现象被称为“塞贝克效应”，其基本原理是热能转化为电能。

在半导体制冷芯片中，利用了这一效应来实现制冷。

半导体制冷芯片的核心部件是由两种半导体材料组成的热电偶。

这两种半导体材料分别是n型半导体和p型半导体，它们的导电性质不同。

将这两种材料按照特定的方式连接起来，形成一个闭合回路，就构成了一个热电偶。

当热电偶的两端存在温差时，热电效应就会发生。

温度高的一端是热源端，温度低的一端是冷源端。

热电偶的热电效应使得冷源端产生低温，热源端产生高温。

这样，通过将冷源端与需要制冷的物体接触，可以将热量从物体中吸收，实现制冷效果。

半导体制冷芯片的工作原理进一步解释如下。

在热电偶中，n型半导体和p型半导体之间形成了一个电势差。

当电势差存在时，电子会从n型半导体的高能级区域向p型半导体的低能级区域流动，形成电流。

这个过程中，电子会带着能量，从而带走热量。

具体来说，当电子从n型半导体流向p型半导体时，会吸收热量，使得p型半导体的温度升高。

而当电子从p型半导体回流到n型半导体时，会释放热量，使得n型半导体的温度降低。

这样，通过不断地将电子从n型半导体输送到p型半导体，再从p型半导体输送回n型半导体，就可以实现制冷效果。

半导体制冷芯片的制冷效果与电流的大小有关。

当电流增大时，热电偶的制冷效果也会增强。

但是，过大的电流会导致半导体芯片过热，甚至损坏。

因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的电流大小，以兼顾制冷效果和芯片的安全性。

除了制冷效果，半导体制冷芯片还具有其他一些优点。

首先，它体积小、重量轻，适用于各种紧凑的应用场景。

其次，它没有机械运动部件，运行静音，不会产生振动和噪音。

电子元器件热电冷却技术研究进展【摘要】随着电子元器件体积的不断缩小以及性能的不断提升，电子元器件的发热量也不断增大，容易造成电子元器件的损坏，因此电子元器件的冷却技术就至关重要。

本文通过介绍电子元器件热电冷却技术的发展，对热电制冷器的散热形式进行探讨，以此来提升我国电子元器件热电冷却技术，促进我国相关领域的发展。

【关键词】电子元器件;热电冷却;技术;研究据相关资料分析，大约有50%-60%的电子元器件失效是由于温度过高造成的，随着温度的升高，电子元器件的失效率也在不断上升，大大降低了电子元器件的使用寿命，传统的散热技术已经不能满足现实需求。

热电冷却作为一种新型的制冷技术，具有轻便、无噪音、温度精确控制、无需制冷剂等优点，适合作为电子元器件冷却散热技术。

一、热电冷却的制冷原理热电冷却主要是利用帕尔贴效应进行制冷，其制冷原理如图1所示：当电子元器件之间接通直流电后，电流从p型电臂流向n型电臂时，p型电臂中的空穴和n型电臂中的自由电子向箭头所指方向相向运动。

进入p型电臂的自由电子会立即与导体中的空穴复合，产生的热量从电子元器件接头处放出，这就是前面提到的帕尔贴效应。

当电流通过有温度梯度的热电元件时，由于汤姆逊热效应就会产生汤姆逊热，实现电子元器件与外界环境之间的能量交换。

二、热管技术及其在电子元器件冷却中的应用随着制冷技术的不断发展，热管技术已经在电器设备及电子元器件的散热系统中得到广泛应用，主要冷却技术有：常规热管技术;微型热管技术;回路热管技术;脉动热管技术。

（一）常规热管常规热管的规格通常在几毫米到几厘米之间，作为传统的热管冷却技术它能够有效保证电子元器件的常规散热，但是也存在一定的问题和缺陷。

常规热管的最大问题是传热介质不能与管材长期相容，在散热过程中会产生一些气体聚集在管路中，容易造成爆炸的危险，使用寿命过低，成本较高。

（二）微型热管微型热管的直径通常为几毫米，它主要应用在笔记本电脑CPU散热领域，比如笔记本电脑中直径为2-4mm的铜水热管。

微电子器件的电热特性与热耦合分析技术研究微电子器件是现代电子技术领域中的重要组成部分，其电热特性及热耦合分析技术的研究对于提高微电子器件的性能和可靠性具有重要意义。

本文将从微电子器件的电热特性和热耦合分析技术两个方面进行探讨。

一、微电子器件的电热特性微电子器件的电热特性是指在电流作用下，器件内部产生的热量与温度变化之间的关系。

微电子器件的电热特性对于器件的设计、制造和使用都有着非常重要的意义。

1.1 热阻和热导率微电子器件的热阻和热导率是衡量其电热特性的重要参数。

其中，热阻指的是单位面积上单位时间内通过微电子器件的热量与温度差之比；热导率则是指单位时间内单位面积上通过微电子器件的热量与温度梯度之比。

这两个参数越小，说明微电子器件的散热能力越好，其稳定性和可靠性也就越高。

1.2 温度分布微电子器件内部的温度分布也是其电热特性的一个重要方面。

由于微电子器件的尺寸很小，因此其内部温度分布往往非常不均匀。

这种不均匀性会对器件的性能和寿命产生很大影响。

因此，了解微电子器件内部的温度分布情况，对于优化器件设计和提高其可靠性具有重要意义。

1.3 热失效微电子器件在工作过程中，由于电流作用下会产生大量的热量，如果无法有效地散热，就会导致器件的热失效。

这种失效现象会对器件的性能和寿命产生很大影响。

因此，对于微电子器件的散热问题进行深入的研究，对于提高其可靠性具有非常重要的意义。

二、热耦合分析技术微电子器件内部的温度分布与其周围环境之间存在着很强的耦合关系。

因此，在对微电子器件进行电热特性分析时，需要考虑其与周围环境之间的相互作用。

这就需要运用到热耦合分析技术。

2.1 有限元法有限元法是一种常用的热耦合分析技术。

该方法基于数值计算，通过将微电子器件及其周围环境离散化为若干有限元单元，建立数学模型，并利用计算机程序进行求解，得到各个节点处的温度场分布。

这种方法具有计算精度高、适用范围广等优点。

2.2 瞬态温度测量法瞬态温度测量法是一种通过测量微电子器件表面温度变化来推算其内部温度分布的方法。