中國粉體網訊 現如今，電子通訊設備及信息產業飛速發展，電子元器件的輕量化、小體積、高功耗和高集成特性成為產品發展的主要趨勢。對高性能芯片而言，表面熱流密度約為20~50W/cm2，局部最高處熱流密度甚至可達100W/cm2，對于特定用途的半導體芯片甚至高達1000W/cm2，這種發展趨勢必將導致散熱更困難。設備大量的熱積聚不但會造成產品性能大幅度降低，產品體驗感差，更嚴重時，甚至會造成設備無法工作、燒毀和爆炸等，給用戶帶來嚴重的財產損失和人身安全問題，解決電子設備的散熱問題迫在眉睫。近年來，半導體制冷技術因為具有獨特的優勢引起學者廣泛關注。
不同散熱方式優缺點總結
什么是半導體制冷？
半導體制冷即上表中的熱電制冷技術（TEC），是一種基于帕爾帖效應原理的制冷技術，即利用當電流通過兩種特定材料時會吸收和放出熱量的原理進行制冷。因其主要部件多為熱電能量轉換效率高的半導體材料，所以又被稱為半導體制冷（該名字并非是因為它適用于半導體芯片散熱，而是因為該技術需采用半導體材料完成能量轉換而散熱）。其具有以下特點：
熱電制冷片樣品，來源：程浩等.電子封裝陶瓷基板
（1）體積小，質量輕。普通單級的TEC厚度僅有3~5mm，總體積不超過9cm3，質量為20g左右，微型TEC可以做到1W以下的功率，質量和體積甚至更小（<50mm3，<1g）；（2）TEC器件較穩定，易于維護，壽命相對較長，目前運用在航天設備中特制的TEC壽命可高達250000h以上；（3）結構簡單，TEC由p-n節、銅連接片、陶瓷基板及導線構成，無運動部件，所以不會產生噪音；（4）溫度響應快，僅需改變輸入電流方向便能夠更換冷熱端；（5）無需流動介質，不會造成泄露，環境友好；（6）能夠準確調控冷卻溫度，而效率幾乎保持不變，在一些疫苗保存恒溫箱中精度甚至可達0.01℃等。
TEC結構示意圖
半導體制冷技術的廣泛應用
TEC技術具有如此多優點，在學界廣受贊譽。美國能源部前國務卿Majumdar A博士在《Nature》雜志中曾發文表示，熱電制冷不失為半導體芯片散熱的最優方式之一。BellLE在《Science》雜志中稱，熱電制冷技術必會在現有的散熱方式中占據重要地位。
目前，TEC已在各個領域得到了應用。在消費電子領域，用于電子設備的散熱、柔性可穿戴電子設備散熱與發電、高清攝像頭溫控、工業除濕機和半導體芯片加工過程熱管理等；在汽車領域，用于電動汽車電池的熱管理、汽車座艙散熱、汽車座椅散熱、車載冰箱、汽車冷杯及汽車傳感器熱管理等；在醫療器械領域，如生物醫藥溫控箱、醫療設備熱管理、聚合酶鏈式反應儀、恒溫培養箱和醫療美容減肥儀等；航天和軍工領域，用于星載紅外探測器的散熱、導航和末端制導所用傳感器溫度控制，以提升精度等；在家電領域，已被用于熱電空調和熱電冰箱的設計；此外，TEC與光伏發電結合應用于建筑散熱、TEC與熱電發電（TEG）結合在實際工程中的應用和其他領域的應用。應用領域的逐漸拓寬也必然使TEC技術煥發出新的生機。
陶瓷基板——半導體制冷的關鍵部件
上面我們提到了一個半導體制冷技術的關鍵部件：陶瓷基板。半導體制冷器的導熱絕緣層由陶瓷基板構成，陶瓷基板材料及厚度對半導體制冷器制冷效率有顯著的影響。
基板材料方面，目前常用的封裝基板材料主要包括氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷等，其中氧化鋁陶瓷因性價比較高應用最為廣泛。氮化鋁陶瓷基板由于其具有以下優點，被廣泛地用于微型制冷片的制備中：（a）熱導率高：氮化鋁陶瓷具有較高的熱導率，可以更有效地散熱，從而提高微型制冷片的制冷效率。（b）熱膨脹系數低：氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數比氧化鋁低，因此更適合與制冷芯片進行配合，可以有效減小由于熱膨脹系數不匹配導致的熱應力和熱裂紋的問題。（c）化學穩定性好：氮化鋁陶瓷具有良好的化學穩定性，可以耐受多種酸、堿和有機溶劑等化學介質的腐蝕，從而延長微型制冷片的使用壽命。
DPC陶瓷基板
封裝方式方面，由于熱電制冷效率與半導體粒子數量呈正相關，單位面積粒子數量越多，熱電制冷效率越高。DPC陶瓷基板圖形精度高，可提高粒子布置密度，從而有效提高熱電制冷效率。
參考來源：
[1]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[2]高俊.半導體制冷器工藝設計對制冷性能的影響
[3]馬自鈺.熱電制冷器性能分析與改進方法研究
[4]氮化鋁陶瓷基板用于精密半導體制冷片封裝的優勢.富力天晟
（中國粉體網編輯整理/山川）
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