中國粉體網(wǎng)訊 現(xiàn)如今,電子通訊設(shè)備及信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,電子元器件的輕量化、小體積、高功耗和高集成特性成為產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢。對高性能芯片而言,表面熱流密度約為20~50W/cm2,局部最高處熱流密度甚至可達100W/cm2,對于特定用途的半導(dǎo)體芯片甚至高達1000W/cm2,這種發(fā)展趨勢必將導(dǎo)致散熱更困難。設(shè)備大量的熱積聚不但會造成產(chǎn)品性能大幅度降低,產(chǎn)品體驗感差,更嚴重時,甚至?xí)斐稍O(shè)備無法工作、燒毀和爆炸等,給用戶帶來嚴重的財產(chǎn)損失和人身安全問題,解決電子設(shè)備的散熱問題迫在眉睫。近年來,半導(dǎo)體制冷技術(shù)因為具有獨特的優(yōu)勢引起學(xué)者廣泛關(guān)注。
不同散熱方式優(yōu)缺點總結(jié)
什么是半導(dǎo)體制冷?
半導(dǎo)體制冷即上表中的熱電制冷技術(shù)(TEC),是一種基于帕爾帖效應(yīng)原理的制冷技術(shù),即利用當(dāng)電流通過兩種特定材料時會吸收和放出熱量的原理進行制冷。因其主要部件多為熱電能量轉(zhuǎn)換效率高的半導(dǎo)體材料,所以又被稱為半導(dǎo)體制冷(該名字并非是因為它適用于半導(dǎo)體芯片散熱,而是因為該技術(shù)需采用半導(dǎo)體材料完成能量轉(zhuǎn)換而散熱)。其具有以下特點:
熱電制冷片樣品,來源:程浩等.電子封裝陶瓷基板
(1)體積小,質(zhì)量輕。普通單級的TEC厚度僅有3~5mm,總體積不超過9cm3,質(zhì)量為20g左右,微型TEC可以做到1W以下的功率,質(zhì)量和體積甚至更。<50mm3,<1g);(2)TEC器件較穩(wěn)定,易于維護,壽命相對較長,目前運用在航天設(shè)備中特制的TEC壽命可高達250000h以上;(3)結(jié)構(gòu)簡單,TEC由p-n節(jié)、銅連接片、陶瓷基板及導(dǎo)線構(gòu)成,無運動部件,所以不會產(chǎn)生噪音;(4)溫度響應(yīng)快,僅需改變輸入電流方向便能夠更換冷熱端;(5)無需流動介質(zhì),不會造成泄露,環(huán)境友好;(6)能夠準確調(diào)控冷卻溫度,而效率幾乎保持不變,在一些疫苗保存恒溫箱中精度甚至可達0.01℃等。
TEC結(jié)構(gòu)示意圖
半導(dǎo)體制冷技術(shù)的廣泛應(yīng)用
TEC技術(shù)具有如此多優(yōu)點,在學(xué)界廣受贊譽。美國能源部前國務(wù)卿Majumdar A博士在《Nature》雜志中曾發(fā)文表示,熱電制冷不失為半導(dǎo)體芯片散熱的最優(yōu)方式之一。BellLE在《Science》雜志中稱,熱電制冷技術(shù)必會在現(xiàn)有的散熱方式中占據(jù)重要地位。
目前,TEC已在各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在消費電子領(lǐng)域,用于電子設(shè)備的散熱、柔性可穿戴電子設(shè)備散熱與發(fā)電、高清攝像頭溫控、工業(yè)除濕機和半導(dǎo)體芯片加工過程熱管理等;在汽車領(lǐng)域,用于電動汽車電池的熱管理、汽車座艙散熱、汽車座椅散熱、車載冰箱、汽車冷杯及汽車傳感器熱管理等;在醫(yī)療器械領(lǐng)域,如生物醫(yī)藥溫控箱、醫(yī)療設(shè)備熱管理、聚合酶鏈式反應(yīng)儀、恒溫培養(yǎng)箱和醫(yī)療美容減肥儀等;航天和軍工領(lǐng)域,用于星載紅外探測器的散熱、導(dǎo)航和末端制導(dǎo)所用傳感器溫度控制,以提升精度等;在家電領(lǐng)域,已被用于熱電空調(diào)和熱電冰箱的設(shè)計;此外,TEC與光伏發(fā)電結(jié)合應(yīng)用于建筑散熱、TEC與熱電發(fā)電(TEG)結(jié)合在實際工程中的應(yīng)用和其他領(lǐng)域的應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸拓寬也必然使TEC技術(shù)煥發(fā)出新的生機。
陶瓷基板——半導(dǎo)體制冷的關(guān)鍵部件
上面我們提到了一個半導(dǎo)體制冷技術(shù)的關(guān)鍵部件:陶瓷基板。半導(dǎo)體制冷器的導(dǎo)熱絕緣層由陶瓷基板構(gòu)成,陶瓷基板材料及厚度對半導(dǎo)體制冷器制冷效率有顯著的影響。
基板材料方面,目前常用的封裝基板材料主要包括氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷等,其中氧化鋁陶瓷因性價比較高應(yīng)用最為廣泛。氮化鋁陶瓷基板由于其具有以下優(yōu)點,被廣泛地用于微型制冷片的制備中:(a)熱導(dǎo)率高:氮化鋁陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率,可以更有效地散熱,從而提高微型制冷片的制冷效率。(b)熱膨脹系數(shù)低:氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)比氧化鋁低,因此更適合與制冷芯片進行配合,可以有效減小由于熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的熱應(yīng)力和熱裂紋的問題。(c)化學(xué)穩(wěn)定性好:氮化鋁陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,可以耐受多種酸、堿和有機溶劑等化學(xué)介質(zhì)的腐蝕,從而延長微型制冷片的使用壽命。
DPC陶瓷基板
封裝方式方面,由于熱電制冷效率與半導(dǎo)體粒子數(shù)量呈正相關(guān),單位面積粒子數(shù)量越多,熱電制冷效率越高。DPC陶瓷基板圖形精度高,可提高粒子布置密度,從而有效提高熱電制冷效率。
參考來源:
[1]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[2]高俊.半導(dǎo)體制冷器工藝設(shè)計對制冷性能的影響
[3]馬自鈺.熱電制冷器性能分析與改進方法研究
[4]氮化鋁陶瓷基板用于精密半導(dǎo)體制冷片封裝的優(yōu)勢.富力天晟
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)
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