热电冷却芯片热点的动态特性研究

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高热流密度的热点散热问题成为制约芯片产业发展的瓶颈,而微型热电片由于其冷流密度大、体积小、可精确控温、便于封装集成等特点,特别符合芯片热点的散热需求。然而,目前关于微型热电片在芯片热点散热方面的研究主要针对稳态热负荷的工况,不符合实际的工程应用需求。因此,本文研究了微型热电片冷却芯片热点的动态特性,讨论了四种散热结构的适用工况,分析了各因素的影响规律。
  本文基于芯片热点的传热模型,分析了热点与基板的散热特性,建立了微型热电片冷却芯片热点的多物理场耦合模型。在动态热负荷下(包括待机热负荷、高频热负荷以及低频热负荷),针对芯片热点设计了四种散热结构:传统散热结构、微型热电片散热结构、微接触散热结构、微型热电片与微接触结合的散热结构,对比分析了四种散热结构的散热效果。进一步研究了电流、芯片热负荷、热端换热系数以及微接触结构对散热的影响,探讨四种散热结构的适用工况。
  研究表明,微型热电片与微接触的引入可以有效降低高频热负荷下的热点温度,但待机热负荷与低频热负荷下的温降效果不明显。微接触的散热强化效果主要由其材料决定,受微接触结构的影响较小。进一步研究发现:常规散热结构适用于动态热流密度在270W/cm2以下的芯片热点。微型热电片与微接触结合的散热结构适用于动态热流密度在270W/cm2~720W/cm2之间的芯片热点。微接触结构则适用于动态热流密度在720W/cm2以上的芯片热点。针对多热点芯片,采用协同散热方案可以有效降低芯片温度并提升均温性。此外,微型热电片的散热效果受电流的影响较大,随着电流的增大,热点温度先降低后增加,基板温度则持续上升。本研究对微型热电制片在芯片热点冷却中的应用、优化和设计具有重要的参考价值。
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