[发明专利]芯片级电子设备热电制冷方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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×5mm×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。