芯片级电子设备热电制冷方法技术

本发明专利技术公开的一种芯片级电子设备热电制冷方法，旨在提供一种散热效率高，可去除芯片热点能力的热电制冷方法。本发明专利技术通过下述技术方案实现：在P型半导体芯片和供电条件下，将N个弓形波连制冷片导电板按线阵间隔交错平放在散热板热沉与热导体制冷面板的内侧壁上，热导体制冷面板冷面通过热界面材料与芯片紧密接触，吸收芯片的热量，热导体散热面板与下一级热沉安装面紧密接触；然后将P型半导体芯片和N型半导体芯片垂直固联在所述弓形波连制冷片导电板的两端，构成P型和N型不同极性的两种半导体材料联接成电偶对，以多级串联电偶对的弓形波连热电制冷片与芯片级电子设备的集成形式放热通过下一级热沉将热量散走。形式放热通过下一级热沉将热量散走。形式放热通过下一级热沉将热量散走。

【技术实现步骤摘要】
芯片级电子设备热电制冷方法


[0001]本专利技术涉及电子封装器件中芯片的散热技术，尤其是芯片级电子设备热电制冷方法。

技术介绍

[0002]随着电子元器件体积的不断缩小以及速度和性能的不断提高，芯片级电子设备的能耗和热流密度也越来越大。过高的温度将使元器件承受过量的热膨胀应力,导致其结构被破坏而失效，据统计，超过55％的电子设备失效都是随着温度的升高，电子元器件的失效率呈指数增加，在不同程度上降低了电子设备的可靠性。自从硅集成电路出现以后，电子设备中晶体管的集成度增加了几个数量级，相应地，单个芯片产生的热量也大幅增加，芯片的温度特别是局部温度也迅速增高，从而使电子设备的故障频率越来越高。电子设备的散热在很大程度上可以归结为芯片的散热。电子设备的小型化和先进的封装技术造成了日益增长的封装密度和与之相关的热流密度，且芯片中不同功能模块的晶体管的活动会造成高度不均匀的热量产生，进而导致芯片中出现随时间和空间而变化的热点区域。热点处的热流密度可以达到芯片平均热流密度的五倍至十倍之多，热点区域的出现会在电子设备的芯片中产生局部高温和热应力，芯片温度和温度梯度的增加将以指数倍的速度加速缩短产品的平均无故障时间，并且缩短电子设备的生命周期。这就要求芯片的热管理系统不仅要应对背景热量，同时还要能够快速地带走热点区域的热量，在维持芯片整体温度的同时降低其热点区域的温度。然而，传统的热管理技术正在加速接近它们的极限。单独的空气冷却散热器在许多散热情形应用中仍然存在，但仅限于热流密度较小且均匀散热的情况，当设备的热流密度较高或需要处理局部热点问题时，其性能就完全不能满足散热需求。微通道液体冷却散热器因其更大的表面积及良好热属性的冷却液而具有更好的传热性能。传统的微通道散热器，如平行通道散热器和蛇形通道散热器等，实现的是对散热对象的均匀冷却，且存在沿流向方向冷却液的温度会升高等固有缺陷；改进型的传统微通道散热器一定程度上弱化了上述固有缺陷，但其结构更复杂，压降更大。微通道液体冷却散热器的传热能力上限更高，增大泵功率即可增大其传热能力，抑制热点区域的温升，但是这样会造成非热点区域的过度冷却，且不能从根本上消除温度梯度及由此造成的热应力。电子设备的热管理已经成为制约其进一步微型化、集成化的重要因素，同时也严重影响着电子产品的可靠性及工作寿命，其中芯片热点的散热问题尤为突出。单一的散热方式很难去除芯片中的热点。目前，普遍采用风冷法对电子元器件进行散热，但随着电子元器件热流密度的不断增加，这种散热方式已达到它散热能力的极限最近，热电制冷器(TEC)被认为是一种增强风冷散热性能的潜在解决方案，热电制冷是利用半导体材料的热电效应进行制冷，无需制冷剂且没有机械运动部件，因而具有清洁、噪声小、制冷迅速、易于调节、易于小型化的优点，被广泛用于航空、仪器仪表、工业或商业产品。目前国产的弓形波连制冷片包含四个单元的PN结构，其尺寸最小可以达到5mm
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5mm
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2mm的方形或者直径为4mm的环形，这种尺寸形式基本能够覆盖大部分的芯片级电子设备。由于航空航天、电子设备领域的温度环境适应性要求远高于
普通工业级和民用级设备。为了适应航空航天等行业，电子设备的温度环境适应性要求，芯片级电子设备大都要对电子元器件的热设计、通过重新设计，更换材料等技术来实现，使得航空航天领域的芯片级电子设备使用成本急剧增加。而对于一些如FPGA、频综、晶振等设备，其本身特性就决定了温度环境适应性较差，为了提高这些芯片级电子设备的可靠性，一般要付出更多的热控资源来实现，甚至限制了使用环境，造成了设备性能无法发挥的困境。
[0003]热电冷却也叫半导体冷却，是利用半导体材料的帕尔帖效应来实现制冷的一门新兴技术。是利用帕尔贴效应的一种电制冷方法。热电制冷芯片的名称很多。如热电制冷模块(TCM)，制冷芯片，热电制冷器，珀尔帖制冷器，珀尔帖单体(PeltierCell)，也有人称它为热泵(HeatPump)。最普遍的名称为半导体制冷器。制冷芯片的优点：热电制冷芯片与传统冷冻压缩机互相比较，具有体积小、噪音低、寿命长，不使用冷煤，无方向限制，无运动部件，可倒立或侧立使用，调节控制方便并且无环保公害，等优点。在电子设备冷却中,期望的制冷系统怡恰要求体积小巧、工作安静,热电制冷将能够解决一些大功率器件在恶劣环境下的冷却问题。由于热电材料性能的限制以及热电冷却系统性能影响因素的复杂性，有关热电冷却技术在微电子封装热管理方面的应用研究进展缓慢。针对热电冷却技术的发热电冷却系统传热特性及其应用性能的研究还不够深入和完善的现状。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对微电子芯片热管理技术的现状和传统冷却技术存在的不足之处，提供一种散热效率高，可以大大提高原散热系统去除芯片热点能力的芯片级电子设备热电制冷方法。
[0005]本专利技术的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种芯片级电子设备热电制冷方法，具有如下技术特征：在P型半导体芯片1和供电等条件允许的情况下，将N个弓形波连制冷片导电板3按线阵间隔交错平放在热导体散热面板热沉2与热导体制冷面板5的内侧壁上，热导体制冷面板5冷面通过热界面材料与芯片紧密接触，吸收芯片的热量，热导体散热面板2与下一级热沉安装面紧密接触；然后将P型半导体芯片1和N型半导体芯片4垂直固联在所述弓形波连制冷片导电板3的两端，构成P型和N型不同极性的两种半导体材料联接成电偶对，以多级串联电偶对的弓形波连热电制冷片与芯片级电子设备的集成形式，在弓形波连热电制冷片的两端连接制冷片加电正极6和制冷片加电负极7，并集成一体进行封装；在制冷片加电正极6和制冷片加电负极7施加电压后，电荷载体在热导体制冷面板5导体中运动形成电流，直流电流通过冷端P型半导体芯片1的P空穴，向热导体散热面板2热端流向N型半导体芯片4，发生能量的转移，电流由P型元件流向N型元件时出热电子量，这个端面为热面，电流由N型元件流向P型元件放热吸收热量，这个端面为冷面，N电子电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，释放出多余的热量，表现为制冷，放热通过散热器的强制对流作用，将P型热电材料空穴热面的热量不断散出，最后通过下一级热沉将热量散走。
[0006]本专利技术采用热电制冷技术，将N个弓形波连制冷片导电板3按线阵间隔交错平放在热导体散热面板2与热导体制冷面板5的内侧壁上，热导体制冷面板5通过热界面材料与芯片紧密接触，吸收拟芯片的热量，热导体散热面板2与下一级热沉安装面紧密接触；然后将P型半导体芯片1和N型半导体芯片4垂直固联在所述弓形波连制冷片导电板3的两端构成P型
和N型不同极性的两种半导体材料联接成电偶对，将热电制冷片与芯片级电子设备进行集成。相比其他冷却方式，热电制冷具有没有运动部件，体积和重量很小，可以降温到环境温度以下，同一器件可以满足升温和降温的要求，温度能够实现精确控制，可靠性高(200000h以上)，电子静音，重力无影响，尤其是其体积和重量很小，弓形波连制冷片可以根据尺寸和制冷需求排列不同的单元形式。
[0007]实现多级梯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芯片级电子设备热电制冷方法，具有如下技术特征：在P型半导体芯片(1)和供电条件允许的情况下，将N个弓形波连制冷片导电板(3)按线阵间隔交错平放在热导体散热面板热沉(2)与热导体制冷面板(5)的内侧壁上，热导体制冷面板(5)冷面通过热界面材料与芯片紧密接触，吸收芯片的热量，热导体散热面板(2)与下一级热沉安装面紧密接触；然后将P型半导体芯片(1)和N型半导体芯片(4)垂直固联在所述弓形波连制冷片导电板(3)的两端，构成P型和N型不同极性的两种半导体材料联接成电偶对，以多级串联电偶对的弓形波连热电制冷片与芯片级电子设备的集成形式，在弓形波连热电制冷片的两端连接制冷片加电正极(6)和制冷片加电负极(7)，并集成一体进行封装。2.如权利要求1所述的芯片级电子设备热电制冷方法，其特征在于：在制冷片加电正极(6)和制冷片加电负极(7)施加电压后，电荷载体在热导体制冷面板(5)导体中运动形成电流，直流电流通过冷端P型半导体芯片(1)的P空穴，向热导体散热面板(2)热端流向N型半导体芯片(4)，发生能量的转移，电流由P型元件流向N型元件时出热电子量，这个端面为热面，电流由N型元件流向P型元件放热吸收热量，这个端面为冷面，N电子电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，释放出多余的热量，表现为制冷，放热通过散热器的强制对流作用，将P型热电材料空穴热面的热量不断散出，最后通过下一级热沉将热量散走。3.如权利要求1所述的芯片级电子设备热电制冷方法，其特征在于：制冷片加电正极(6)和制冷片加电负极(7)施加电压后，热导体散热面板(2)和热导体制冷面板(5)之间快速形成温差。4.如权利要求1所述的芯片级电子设备热电制冷方法，其特征在于：被控芯片级电子设备(10)粘接弓形波连制冷片的热导体制冷面板(5)，制冷片加电正极(6)和制冷片加电负极(7)上各引出一个弓形波连制冷片正极供电引脚(8)、弓形波连制冷片负极供电引脚(9)，与被控芯片级电子设备(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵亮，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：