中國(guó)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(shì)。對(duì)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(dá)100W/cm2，對(duì)于特定用途的半導(dǎo)體芯片甚至高達(dá)1000W/cm2，這種發(fā)展趨勢(shì)必將導(dǎo)致散熱更困難。設(shè)備大量的熱積聚不但會(huì)造成產(chǎn)品性能大幅度降低，產(chǎn)品體驗(yàn)感差，更嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)斐稍O(shè)備無(wú)法工作、燒毀和爆炸等，給用戶帶來(lái)嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人身安全問(wèn)題，解決電子設(shè)備的散熱問(wèn)題迫在眉睫。近年來(lái)，半導(dǎo)體制冷技術(shù)因?yàn)榫哂歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)引起學(xué)者廣泛關(guān)注。
不同散熱方式優(yōu)缺點(diǎn)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(guò)兩種特定材料時(shí)會(huì)吸收和放出熱量的原理進(jìn)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?yàn)樗m用于半導(dǎo)體芯片散熱，而是因?yàn)樵摷夹g(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(diǎn)：
熱電制冷片樣品，來(lái)源：程浩等.電子封裝陶瓷基板
（1）體積小，質(zhì)量輕。普通單級(jí)的TEC厚度僅有3~5mm，總體積不超過(guò)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(hù)，壽命相對(duì)較長(zhǎng)，目前運(yùn)用在航天設(shè)備中特制的TEC壽命可高達(dá)250000h以上；（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，TEC由p-n節(jié)、銅連接片、陶瓷基板及導(dǎo)線構(gòu)成，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，所以不會(huì)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(wú)需流動(dòng)介質(zhì)，不會(huì)造成泄露，環(huán)境友好；（6）能夠準(zhǔn)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(dá)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(diǎn)，在學(xué)界廣受贊譽(yù)。美國(guó)能源部前國(guó)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(huì)在現(xiàn)有的散熱方式中占據(jù)重要地位。
目前，TEC已在各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在消費(fèi)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(jī)和半導(dǎo)體芯片加工過(guò)程熱管理等；在汽車領(lǐng)域，用于電動(dòng)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?yán)浔捌噦鞲衅鳠峁芾淼�；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?zhǔn)椒磻?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(cè)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(jì)；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(shí)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(jī)。
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(gè)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(duì)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(jià)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(diǎn)，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(jìn)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(wèn)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(jī)溶劑等化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，從而延長(zhǎng)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(lái)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(jì)對(duì)制冷性能的影響
[3]馬自鈺.熱電制冷器性能分析與改進(jìn)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(shì).富力天晟
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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