高性能的微电子芯片是一个国家科技实力的体现，也是现代军工技术的核心。然而，微电子芯片的性能、可靠性与寿命一直受工作温度及其分布均匀性的影响。随着电子封装集成度的迅速提高，微电子芯片结构尺寸的不断减小以及功率密度的持续增加，芯片的散热问题及温度分布均匀性已成为影响芯片性能亟待解决的瓶颈。相对于传统的强制空气对流冷却方式，热电冷却方式以其控制精度高和芯片表面温度的均匀性好等优点引起了人们的高度关注。然而，由于材料性能的限制以及系统性能影响因素的复杂性，对其强化传热特性的分析以及系统应用性能的研究才刚刚起步，还不够深入。　　 本论文针对微电子芯片热管理技术的研究背景和传统冷却技术的不足，首次建立微电子芯片热电冷却装置及其性能测试系统。在广泛查阅文献资料，分析热电冷却技术的研究现状的基础上，采用理论分析、试验测试和数值模拟相结合的研究方法，借助现代先进的红外热成像温度测试技术，对热电冷却系统的强化传热过程与应用性能进行了深入系统研究。主要研究工作与结论包括以下几个方面：　　 1.为了深入研究微电子芯片热电冷却过程的强化传热机理，分析热电冷却系统应用性能，研究首次研制了微电子芯片热电冷却实验装置，设计了性能测试系统。根据实验测试结果，经拟合计算，获得了芯片导热系数随温度变化的函数关系式。测试分析结果表明：芯片功率、热电冷却器（thermoelectric cooler，TEC）工作电流以及TEC热面散热情况都是芯片表面温度的重要因素；TEC工作电流对其制冷量、冷热面温差和制冷效率有直接影响，因而可以通过调节工作电流来精确控制芯片表面温度；采用热电冷却和强制对流冷却的芯片表面温度分布标准差分别为0.193和0.745，热电冷却方式的均匀性明显好于强制对流冷却。　　 2.为了解决试验中模拟芯片功率的局限性，排除外界条件对测试结果的影响，本研究根据热电效应产生的机理，建立新的热电冷却过程计算模型并进行了试验验证。利用验证后计算模型对热电冷却过程进行模拟计算，结果表明：对于不同的芯片功率，热电冷却系统都存在一个最佳性能状态，在此最佳状态下，TEC热面的热量与芯片发热量在芯片表面达到了“势力平衡”，芯片表面温度最低。在特定芯片功率下，芯片表面温度随TEC工作电流按二次函数关系变化；不同芯片功率下，使冷却系统达到最佳性能状态的TEC工作电流以及此时的芯片表面温度随芯片功率按一次函数关系变化；在芯片发热功率小于60W时，热电冷却系统基本能够满足其散热要求。　　 3.为了改善微电子芯片热电冷却系统的散热性能，本研究从系统结构和材料性能方面进行了优化分析。针对各影响参数之间复杂的耦合关系，本研究采用多参数优化理论，结合数值模拟方法，对TEC热面热沉的结构进行优化，获得最佳的热沉结构为：翅片高度28.0mm，翅片间距2.0mm，翅片厚度1.0mm，底座厚度4.0mm。将优化后的新型热沉应用于微电子芯片热电冷却系统对发热功率为20W的微电子芯片进行冷却，系统总热阻减小了0.018℃·W-1。开发了一套复合热电冷却系统，该复合热电冷却系统可以有效提高散热能力，使芯片表面温度降低30％；并且，分流的热量可以产生电能，为热电冷却系统节能环保运行提供了一种新的思路。通过对热电材料无量纲优值（ZT）的分析发现：TEC材料的ZT值对热电冷却系统的性能有着重要影响，ZT值越大，冷却系统的散热能力越强；当TEC的ZT=1.0时，冷却系统对功率为60W的芯片进行散热，芯片表面温度为84.7℃，要低于传统强制对流冷却的85.6℃，热电冷却系统的散热能力要强于传统的强制对流冷却系统。　　 4.为了更加快捷地进行微电子芯片的热设计，分析影响热电冷却系统性能的复杂因素，本研究中以实验测试和数值模拟计算结果为基础，采用Matlab语言开发了新型热电冷却系统程序设计和优化选型软件。该软件首次将研究中实验测试和数值模拟的计算结果作为经验数据，可根据用户自定义的热设计要求对TEC进行优化选型，很好地将理论研究成果应用到了工程实际中，提高了软件的参考价值。　　 5.结合对旋转射流传热特性及其散热性能的研究结论，首次采用热型线法和热阻网络分析法对三种微电子芯片的冷却方式进行对比分析与综合评价，结论为：传统的强制风冷散热方式还将普遍应用于对芯片温度精度和均匀性要求不太高的芯片散热场合。冲击射流凭借其很高的散热能力，一般应用于计算机工作站中高热流密度芯片的散热冷却。现有热电冷却系统基本能够满足主流芯片的散热要求，而且能够精确控制芯片表面温度，使芯片表面温度分布的均匀性好。它在对芯片表面温度稳定性和均匀性要求较高的场合有着很好的应用前景。在冷却系统热负荷低于30W，其散热效果要好于其它两种散热方式。　　 本文对微电子芯片冷却系统强化传热特性及应用性能的研究丰富了芯片热管理的理论体系，为微电子芯片的热设计提供重要的参考数据。有关热电冷却系统强化传热特性的研究成果为热电冷却技术的应用打下了坚实的理论基础，并指明了方向。