电子元器件热电冷却技术研究进展

在深刻分析热电制冷机理的基础上,结合国内外学者对热电制冷技术用于电子元器件热管理的理论分析,从芯片整体表面散热和局部热点消除两方面,详细介绍了集成电路芯片热电冷却实验的国内外研究进展;对芯片热电冷却技术的数值模拟与热电制冷器(TEC)的选型优化进行了详细报道;指出国内缺乏芯片热电冷却的应用研究,在芯片散热的整体研究水平上与国外仍有差距.芯片热电冷却及其表面的热管理将是今后提高电子元器件散热性能的一个重要研究方向.     

电子封装热管理的热电冷却技术研究进展

电子封装器件中芯片的散热问题一直是制约其发展的瓶颈。综述了芯片的产热特征、散热需求与散热方式。对热电冷却(TEC)技术在芯片散热系统上的应用进行分析,指出了其不足之处与特有的优势。对热电冷却技术在芯片热管理方面应用研究的现状与进展进行了总结评述。     

微型红外探测器组件快速冷却过程数值模拟分析

随着探测技术的飞速发展,红外探测器获得了越来越广泛的应用.对一种快速启动的微型红外探测器内部结构进行了数值模拟和传热计算.模拟结果表明:接触热阻对探测器组件冷却过程和时间的影响显著,通过调整接触热阻的大小,探测器芯片冷却到90 K所用的时间在4~10 s之间变动.初始环境温度和光阑表面发射率对芯片的冷却效果影响不大.节流冷头温度的变化对探测器组件冷却影响较大,当节流冷头温度下降较慢时,其对芯片启动时间影响较大.在实验过程中可以通过优化接触热阻和节流冷头这两个因素来提高探测器组件冷却效果,从而达到更高的要求.     

可靠性问题讲座 第七讲 设计与工艺中的可靠性考虑(下)

三、防止功率器件热烧毁对于大功率器件,热烧毁引起的早期失效比较严重,我们把二次击穿导致的热损坏及有关的金属电极熔融称为热烧毁。这里对大功率管防止热烧毁的设计考虑作一介绍。 1.散热考虑功率管的总热阻θ,包括与芯片几何尺寸有关的芯片热阻θ_i、管芯到管壳的热阻θ_(ic)、管壳到衬架的热阻θ_(C-MS)、衬架到散热器热阻θ_(MSHS),以及散热器到空气的传导热阻θ_(HS-A_((C)))和幅射热阻θ_(HS-A_((R))),见图7—23。通常芯片到管壳的热阻θ_(ic)是主要的。     

CCD芯片热电制冷系统的非稳态性能分析

随着电子设备不断向小型化、集成化发展,热电制冷技术作为一种有效的主动冷却方法被广泛用于重要部件的温度控制。为了获得最佳的制冷效果,文中针对散热受限条件下的CCD芯片热电制冷系统非稳态过程,建立了一个数值分析模型。分析结果表明:在散热受限时,热电制冷系统的传热过程长时间处于非稳态过程;在不超过最大制冷电流的条件下,增大制冷电流可以提高制冷效果,但是大的制冷电流可能出现温度回升的现象;虽然热端散热能力的提高可以改善制冷效果,但是存在一个极限值,这与热电制冷器(TEC)的优值系数有关;当系统载荷发生变化时,合理改变制冷电流和热端散热能力可以提高系统的温度稳定性,其中制冷电流对系统温度稳定性的影响更大。     

高功率LED热管理方法研究最新进展

LED芯片结温的高低直接影响其出光效率、工作寿命和可靠性。在分析系统各个环节热阻的基础上,详细评述了高功率LED产品从芯片到系统级的热管理研究新动向,包括:自然对流冷却,采用压电风扇、电离方法所进行的强迫空气对流冷却,采用水、液态金属作为冷却工质的液冷方法,采用热管实现的相变冷却,采用热电片进行的固态冷却方案以及利用热电片对余热进行回收利用的热管热回收方案和液体金属冷却方法。并在上述基础上提出了发展更高功率密度LED热管理方法的关键科学问题。     

显微热像测试功率晶体管热性能

用显微热像仪和晶体管稳态热阻仪测定功率晶体管在开帽状态下的芯片表面温度。从热像图上可以观察到芯片表面存在局部过热地区，即出现热斑，通过比较在电压恒定时和电流恒定时芯片表面温度和晶体管热阻随耗散功率变化的差异，说明热电反馈效应对晶体管芯片温度和晶体管热阻有明显的影响。     

大功率LED芯片直接固晶热电制冷器主动散热

发光二极管（LED）作为新一代绿色固态照明光源,已广泛应用于照明和显示等领域,但散热问题一直是大功率LED封装的关键技术瓶颈。采用大功率LED芯片直接固晶热电制冷器（TEC）的主动散热方法,可增强大功率LED的热耗散,提升大功率LED的发光性能和长期可靠性。利用高精度陶瓷基板和纳米银膏材料制备出高性能TEC,TEC冷端温度最低可达-22.2℃。将LED芯片直接固晶于TEC冷端的陶瓷基板焊盘上,实现LED芯片与TEC的集成封装,制备出LED-TEC主动散热模块。在芯片电流为1.0 A时,由于热电制冷的珀尔帖效应,LED-TEC模块可将LED芯片的工作温度从232℃降低到123℃（降温幅度为109℃）,且可使其输出光功率从1087m W提升到1 479 m W,光功率提升幅度达到36.1%。     

显微热测试功率晶体管热性能

用显微热像仪和晶体管稳态热阻仪测定功率晶体管在开帽状态下的芯片表面温度。从热像图上可以观察到芯片表面存在局部过热地区，即出现热斑，通过比较在电压恒定时和电流恒定时芯片表面温度和晶体管热阻随耗散功率变化的差异，说明热电反馈效应对晶体管芯片温度和晶体热阻有明显的影响。     

芯片冷却中热电制冷器性能的实验研究

设计了电子芯片冷却实验装置,对热电制冷器在电子芯片冷却中的冷却效果和制冷性能进行了研究。实验结果表明,不仅热电制冷片热端冷却水流量是影响冷却效果的重要因素,而且热电电流和芯片功率与热电冷却性能也有着密切的关系。实验结果对热电冷却器的最佳冷却性能的确定具有一定的参考意义。     

基于接触性检测的IC热阻测试新方法

热阻对于半导体器件,尤其是大功率器件的可靠性至关重要。基于集成电路接触性检测原理和二极管的温度特性,对54HC02和74HC02集成电路端口的保护二极管温度特性进行了测试实验,通过曲线拟合得到了其恒定正向电流条件下正向压降VF与温度T的线性函数关系式。测得集成电路在瞬态工作功耗下的正向压降,通过该函数关系式可得到对应的芯片温度,在已知功耗和环境温度的条件下可以计算出电路对环境的热阻θJA。使用该方法测试54HC02和74HC02分别为135℃/W和115℃/W,与手册给出的参考值122℃/W和112℃/W比较接近。     

延伸波长InGaAs探测器封装用二级热电制冷器性能研究

真空封装技术是延伸波长InGaAs探测器的主要封装方法之一,热电制冷器可为延伸波长InGaAs探测器焦平面提供低温环境。测试了基于真空封装技术无热负载条件下二级热电制冷器的性能,研究了二级热电制冷器在不同输入电流(功率)时冷、热端温差与热负载的关系,测试了二级热电制冷器在低温工况下的制冷性能以及二级热电制冷器处于不工作状态时的表观热导率。结果表明,热沉温度为274 K时,冷端可以达到221.4 K并实现77.5 K的冷、热端温差;当输入电流一定时,随着热负载的增加,冷、热端温差呈线性趋势减小,且斜率随着输入电流增大而增大;二级热电制冷器冷、热端温差在较高温度时更大,即制冷性能更好;当温度分别为233.1 K 和249.8 K时,表观热导率分别为11.30 W/(m·K)和8.29 W/(m·K)。     

微通道散热大功率半导体激光器研究

基于GaInAs/AlGaAs应变量子阱大光腔结构激光器芯片和无氧铜微通道热沉,采用In焊料烧结工艺,制作了976nm大功率连续激光器单条。在20℃热沉冷却条件下,输入电流110A时,输出功率104.9W,电光转换效率达到最大值64%。输入电流300A时,输出功率276.6W,电光转换效率达到54.2%。对激光器单条的热阻以及特征温度进行了测试分析,根据分析结果模拟了激光器单条在大电流下的输出特性,模拟结果显示热饱和是限制激光器最大输出功率的原因。因此,为了提高大功率激光器的输出功率,需要进一步提高激光器的特征温度,并降低热阻以改善散热情况。     

Design of Bulk Thermoelectric Modules for Integrated Circuit Thermal Management

Various parameters affecting the performance of bulk thermoelectric (TE) modules used for integrated circuit (IC) thermal management are studied. An effective circuit model is developed that takes into account various ideal and nonideal effects in the module. It is shown that there is an optimum module thickness and an optimum operating current which depend on the overall heat dissipation and on the external thermal resistances. Optimized TE modules with ZT~0.8, will have a cross section over leg length ratio of 0.037m, can increase the chip operation power by 15% in comparison with the case without a TE cooler while maintaining the chip temperature below 100degC. This is for a package thermal resistance of 0.2K/W. Prospects for TE material with higher ZT values and the effect of contact resistance on the power dissipation density are also discussed. The results presented in this paper can be used in applications other than in the IC thermal management when external thermal resistances dominate the performance of TE modules     

Model for Increasing the Power Obtained from a Thermoelectric Generator Module

We have developed a model for finding the most efficient way of increasing the power obtained from a thermoelectric generator (TEG) module with a variety of operating conditions and limitations. The model is based on both thermoelectric principles and thermal resistance circuits, because a TEG converts heat into electricity consistent with these two theories. It is essential to take into account thermal contact resistance when estimating power generation. Thermal contact resistance causes overestimation of the measured temperature difference between the hot and cold sides of a TEG in calculation of the theoretical power generated, i.e. the theoretical power is larger than the experimental power. The ratio of the experimental open-loop voltage to the measured temperature difference, the effective Seebeck coefficient, can be used to estimate the thermal contact resistance in the model. The ratio of the effective Seebeck coefficient to the theoretical Seebeck coefficient, the Seebeck coefficient ratio, represents the contact conditions. From this ratio, a relationship between performance and different variables can be developed. The measured power generated by a TEG module (TMH400302055; Wise Life Technology, Taiwan) is consistent with the result obtained by use of the model; the relative deviation is 10%. Use of this model to evaluate the most efficient means of increasing the generated power reveals that the TEG module generates 0.14 W when the temperature difference is 25°C and the Seebeck coefficient ratio is 0.4. Several methods can be used triple the amount of power generated. For example, increasing the temperature difference to 43°C generates 0.41 W power; improving the Seebeck coefficient ratio to 0.65 increases the power to 0.39 W; simultaneously increasing the temperature difference to 34°C and improving the Seebeck coefficient ratio to 0.5 increases the power to 0.41 W. Choice of the appropriate method depends on the limitations of system, the cost, and the environment.     

太阳能电池封装材料固化剂的协同效应

利用固化剂聚氧化丙烯二胺(D230)和异佛尔酮二胺(IPDA)的协同效应,以提高太阳能电池封装材料环氧树脂的透明性、抗紫外光老化性和耐热性。热分析和抗紫外光老化实验结果表明:当分别用D230或IPDA单一固化剂时,固化物的玻璃化转变温度θg分别为101和122℃,黄度指数变化值?YI分别为20.48和14.98;而采用D230与IPDA组成的二元固化剂且D230与IPDA的质量比为5:3时,固化物的θg和?YI则分别为138℃和8.44。     

激光二极管合束模块整体散热热阻分析

半导体激光器散热是在热源至热沉之间尽可能提供一条低的热阻通路。其主要目的是降低外热阻(即激光器芯片至散热空间的热阻),使发热激光器芯片与被冷却表面之间保持一个低的温度梯度和良好的热接触。对于接触热阻冷却方法,人们往往根据自身的研究对象,用实验方法来解决接触热阻的问题。通过对单管合束模块整体热阻逐步进行分析,通过软件模拟和结合频率红移法对激光二极管热阻进行测量,得出单管合束模块整体散热热阻小于0.25 ℃/W。此散热模块可以满足百瓦级半导体激光器的散热要求。     

热管式半导体热电冷水机参数影响分析与性能优化

利用热管具有高效的导热能力,而半导体制冷具有无噪音、环保、制冷迅速等独特的优点,提出了一种基于热管散热的半导体热电冷水机结构.基于有限时间热力学理论,考虑包括汤姆逊效应在内的各种内部效应,建立了详细的计算模型.分析了关键运行参数和设计参数对装置最优电流和最优性能的影响,并给出了协调最大制冷率和最大制冷系数的最优参数区间.优化结果表明:当温差为20 K、电流为2.5A时,最大制冷率和最大制冷系数分别可达29.49W和1.47,相比于优化前,分别提升了55.3％和47.0％.     

大功率白光LED的结温测量

大功率LED器件的结温是其热性能的重要指标之一,温度对LED的可靠性产生重要的影响。采用板上封装的方法,利用大功率芯片结合金属基板封装出了大功率白光LED样品,利用LED光强分布测试仪测试了器件的I—V曲线,用正向电压法测量了器件的温度敏感系数,进而通过测量与计算得到器件的结温和热阻。最后利用有限元对器件进行实体建模,获得了器件的温度场分布。测量结果表明：正向电压与结温有很好的线性关系,温度敏感系数为2mV·℃^-1,LED的结温为80℃,热阻为13℃·W^-1。有限元模拟的结果与实测值具有良好的一致性。     

A Four-Quadrant Operation Diagram for Thermoelectric Modules in Heating–Cooling Mode and Generating Mode

The operation of a thermoelectric module in heating–cooling mode, generating mode, and regenerating mode can be discussed in terms of power, cooling load, and current. A direct current machine in motoring mode and generating mode and an induction motor in motoring mode and regenerating mode are analogous to thermoelectric modules. Therefore, the first objective of this work is to present the four-quadrant (4-Q) operation diagram and the 4-Q equivalent circuits of thermoelectric modules in heating–cooling mode and generating mode. The second objective is to present the cooling and regenerating curves of a thermoelectric module in cooling mode and regenerating mode. The curves are composed from the cooling powers and the generating powers, the input and output current, the thermal resistance of the heat exchanger, and the different temperatures that exist between the hot and cold sides of the thermoelectric module. The methodology used to present the data involved drawing analogies between the mechanical system, the electrical system, and the thermal system; an experimental setup was also used. The experimental setup was built to test a thermoelectric module (TE₂) in cooling mode and regenerating mode under conditions in which it was necessary to control the different temperatures on the hot and cold sides of TE₂. Two thermoelectric modules were used to control the temperature. The cold side was controlled by a thermoelectric module labeled TE₁, whereas the hot side was controlled by a second thermoelectric module labeled TE₃. The results include the power, the cooling load, and the current of the thermoelectric module, which are analogous to the torque, the power, the speed, and the slip speed of a direct current machine and an induction motor. This 4-Q operation diagram, the 4-Q equivalent circuits, and the cooling and regenerating curves of the thermoelectric module can be used to analyze the bidirectional current and to select appropriate operating conditions in the cooling and regenerating modes.