热管理材料解决方案的选择

引言：最近被广泛报道的 iPhone 15 Pro 系列机型发热，苹果表示是因为 iPhone 在初次配置或者恢复数据的头几天里面，会因为应用的后台活动增加而发热。

同时，苹果表示一些已经适配 iOS 17 系统的应用，会导致 iPhone 15 Pro 系列配备的 A17 Pro 芯片的 CPU 过载，所以也会导致机身过度发热，未来将会通过软件更新的方式解决。作为有着每年科技界春晚称号的苹果秋季发布会，每年的新款iPhone都会受到来自全球的关注，而这次苹果的回应自然也被全球的媒体报道.

仅在微博，「#苹果回应iPhone15Pro过热#」就登上了热搜榜第 6 位，总阅读量达到了 1.2 亿次，由此可见大众对 iPhone 的关注度相比往年，依旧是只增不减的。但是事实真的如同苹果所说的那样，只要等一等，iPhone 就不会出现莫名其妙过热的情况了吗？

热管理解决方案有很多，主要分为两类：主动制冷和被动制冷。主动制冷系统利用基于压缩机或固态热泵（热电设备）来实现制冷到环境温度以下。被动热管理解决方案仅依靠传导或对流来传递热量，通常由界面材料、散热器和风扇组成。被动散热技术最常用于制冷到环境温度已经足够的情况。半导体制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成，所谓珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。

掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料碲化铋元件采用电串联并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与制冷原理。

是制冷还是加热，以及制冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的制冷器。如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体制冷器，对于常年运行的设备，增大制冷元件的对数，尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数。新一代TEC半导体制冷片与其他制冷技术相比，热电制冷器组件的优势在于精确的温度控制、更小体积、更快的升温速率、更高的效率、更高的可靠性和更低的噪音。

半导体制冷片TEC适用的市场领域：

智能手机；

平板电脑；

笔记本电脑；

穿戴AR/VR设备产品；

显示产品（投影仪、Mini-LED、Micro-LED、激光显示等）；

工控设备；

医疗设备；

通讯基站；

光通讯、光模组；

人工智能AI产品；

物联网;

半导体激光器；

新能源汽车；

储能市场；

制冷防护服装；

制冷背包；

其他散热产品......

01TEC技术

自 1834 年发现珀尔帖效应以来，固态热泵就一直存在。几十年前，随着先进半导体热电偶材料以及陶瓷基板组合技术的发展，这种固态热泵开始商业化。热电冷却器是一种固态热泵，需要热交换器通过珀尔帖效应散热。在运行期间，直流电流经过热电冷却器以在陶瓷基板上产生热传输和温差，导致热电冷却器的一侧变冷，而另一侧变热。标准的单级热电冷却器可实现高达 70°C 的温差。

标准热电冷却器的几何尺寸从 2 x 2 毫米到 62 x 62 毫米不等。由于具有较小尺寸与较轻的重量，使热电元件成为几何空间和重量要求受限应用的理想选择。与热电技术相比，传统的基于压缩机系统等冷却技术通常体积和重量更大。热电冷却器还可以用作发电机，将废热转换为可用的输出直流电。对于需要在环境温度以下进行主动冷却，且冷却能力要求小于600瓦的应用，热电设备是理想的选择。当系统设计标准包括精确温度控制、高可靠性、紧凑几何尺寸、较轻重量和环保要求等因素时，设计工程师应该考虑热电冷却器。

02 TEC产品的结构

制冷片的作用：就是把制冷对象的热量带到热面。

TEC温控器的作用：确保制冷对象的温度工作在目标温度上下：

当目标对象的温度高于目标温度是，给制冷片通电，让制冷片把目标对象的温度带走；

当目标对象的温度低于某个温度时，停止供电或反向供电，提高目标对象的温度。

散热装置：确保制冷片自身不会因为热面的温度过高而损坏。

传感器：获取目标对象的温度。

03TEC工作原理

半导体制冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现。半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。

电偶，是指由两个电量相等，距离很近的正负电荷所组成的一个总体。正电荷称为电偶的电源，负电荷称为电偶的电穴。热电偶 thermocouple：热电偶是根据热电效应测量温度的传感器，是温度测量仪表中常用的测温元件. 热电偶是两个不同的金属原件焊接在一起，电流通过时会有压差，用压差来显示温度。即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I［A］成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即：

πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为［V］， πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab。金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。

1.N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体，也称电子型半导体。

因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供;空穴是少数载流子， 由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

 

2.P型半导体

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成;电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

3.PN结

在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程：

因浓度差

↓

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

↓

空间电荷区形成形成内电场

↓ ↓

内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散

最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。

PN结加正向电压时的导电情况如图所示。

外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。而实际上电子在通过电场后势能产生变化，能量转换为各种形势的表现，而热量的吸收与散发都是其表现的一个方面。而半导体制冷片的工作原理实际上就是通过定向电流将热能定向搬运的过程。

04TEC的优势

TEC 热电致冷器11个优点：不需使用任何冷却剂，既能致冷，又能加热，主动冷却,适合局部冷却(spot cooling),具发电能力(温差发电)等优点

TEC

1.不需使用任何冷却剂，可连续工作，无污染、无动件、无噪音，寿命长，安装容易，且体积小重量轻，维护容易。2.具有两种功能，既能致冷，又能加热(效率高)，透过改变电流方向达冷却或加热两种不同目的，并可做为多级的应用方式，可使效率更高。3.其冷却方式为主动冷却，而能致冷使温度低于室温，一般的散热片为被动冷却，温度需要高于环境才有散热功能。若于热电器件之热端接上相同的散热片，因热电器件为主动冷却，不断带走冷端的热量，所以冷端可以低于室温，可做为高发热功率之电子器件冷却之用，对于器件的性能提升有很大的帮助。4.为电流换能型器件，透过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，尤其体积小，效率高，非常适合于光通讯器件如AWG、Transceiver等器件、红外sensor，以及Bio-MEMS器件之精密温度控制。5.适合局部冷却(spot cooling)，热电器件可只对特定之发热器件作冷却，而不必冷却整个封装结构，可节省耗电并增加效率。6.其热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载情况下，通电不到一分钟，就能达到最大温差。7.具发电能力(温差发电)，若在热电器件两面建立温差，则可产生直流电，适用于中低温区发电，如Seiko 公司的体温发电腕表等。8.单串热电器件作的功率很小，但用同类型的热电堆组合成热电堆串，采并联方式组合成一个大系统，功率就可以做的很大，由几毫瓦到上万瓦的范围都有可能。9.其温差范围，由+90℃到-130℃之间均可达成。10.冷却速度快，其速度可透过调节工作电压控制，且工作电流或电压的精度要求不高。如额定12V 电压，实际可使用到8~14V。11.不受重力和方向影响，因热电器件不需循环流体，故不受重力和方向的影响，适合应用在航天工业上。NASA应用此技术提供几百瓦的电力于太空探测装置上。

06 TEC产品技术的难点和挑战

半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应，还要考虑多种因素如材料的优值系数、半导体多级制冷、冷热端散热系统的优化设计等，同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的，不是独立的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点，但也面临诸多难点。首先，半导体制冷材料性能的优劣取决于其半导体制冷优值系数Z。构成半导体制冷材料优值系数的三个参数塞贝克系数(α)、电导率(σ)和热导率(K)都是温度的函数。与此同时，优值系数又敏感地依赖于材料种类、组分、掺杂水平和结构。能适合半导体制冷的半导体材料不仅要混合地加入少量杂质改变它的温差电动势率、导热率和导电率，而且还应该具有半导体本身特性，做到既要保持原来半导体的传统半导体特性又要使它具有好的温差电动势率、导热率和导电率存在较大的困难，所以，高优值系数的研究一直是半导体制冷研究的难点问题。
其次，半导体制冷是一个参数多、工况变化复杂的过程，几何结构参数、散热传热等对其影响都很大，采用常规的针对性实验方法难以满足多种需要，并且在进行优化设计的参数选择时需要实验对比不同工况从而选择最优方案。所以如何选择和设计研究过程和方案就显得重要，而整体分析又把问题变得复杂起来。再者，根据传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应可知，半导体制冷过程中冷、热端的温度差对半导体制冷的热量和冷量的传递有极大的影响，两端换热性能差，就会大幅度地减小同等功率下的制冷能力，若热端散热效果差，往往达不到设计要求。因而冷、热端散热也是半导体制冷的又一个困难：即如何强化冷、热端散热以及对制冷电堆冷、热端散热进行优化设计和改进。
总而言之，半导体制冷的难点在于：高优值系数的材料，复杂的多参数以及冷热端散热的设计。

虽然半导体制冷的研究面临诸多困难，但是可以欣喜地看到当前研究仍然呈现出一片欣欣向荣的景象。到目前为止，国内外的学者从不同角度去提高半导体的制冷效率，展现出各自的优势和实用性。但是半导体制冷的研究当前还存在以下问题。
（1）半导体制冷要想达到机械压缩制冷相当的制冷效率，材料的优值系数就必须提高。然而，直到现在，科学家对半导体制冷材料的研究并未有很大突破。半导体制冷温差较小和制冷系数不高是半导体制冷的最大缺点，而材料的优值系数不高导致这些缺点从而是阻碍半导体制冷发展的最主要因素，因此半导体材料的性能即优值系数Z还有待于进一步的提高。
（2）有关冷、热端散热系统的优化设计的研究较少。这使得半导体制冷的设计多半处于理论计算阶段，半导体制冷的实际运行效果不能得到很好的保证。所以要不断深入进行半导体制冷器模块设计和系统性能优化的研究。
（3）相关领域的技术与手段的引用较少，材料的优值系数的停滞影响了整个半导体制冷行业的发展，所以运用包括新理论和新技术来研究和完善就变得非常重要。半导体制冷也是一个交叉学科，需要不同方面的知识相互配合，共同进步。
（4）随着科学技术的飞速发展，产品器件的尺寸有的越来越大，有的越来越小，有的状况越来越复杂，需要考虑多种因素。这样如何解决大功率半导体多级制冷的优化问题、小尺寸器件的局部散热问题和多因素的半导体热电能量转换问题就成为今后不断努力研究的内容。

07 新开发产品：铝基板替代陶瓷基板TEC半导体制冷片

摘要：为解决智能手机使用的大功率芯片中非均匀分布热点的散热问题，本文采用手机芯片作为热源，利用软件使手机满载工作以模拟实际的高温场景，采用具有各向异性导热系数的导热层和用于小型散热系统的热沉以提高热电制冷器的制冷效率， 在此基础上建立了制冷效率可控的热管理系统。此外，为减少热电制冷器热端的热量积累，设计了一种周期性电源控制器。结果表明: 热管理系统将芯片温度从 48 ℃降至 34 ℃，提高了约 20%的满载芯片利用率，有效提升了手机流畅度，为解决非均匀分布热点的散热问题提供了指导。

随着科技的发展，手机已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。然而，高功率、高算力的芯片所产生的非均匀分布热点将导致电子器件的热衰竭，并严重影响其效率、稳定、安全运行和使用寿命。当手机芯片满负荷工作时，如果芯片的温度不能有效降低，芯片就必须采取降频策略来降低芯片的温度，以防止芯片损坏。据报道，降低芯片频率的 策略会使手机运行速度变慢约 3 倍。为了调控芯片温度，手机需要配套的制冷系统，且该制冷系统须满足高集成度和高散热量的特点。大多数手机散热技术如石墨烯散热技术、真空腔均热板散热技术( VC 液冷) ，均为被动散热技术。石墨烯散热技术是依靠石墨烯良好的导热性将热量及时导出。VC 液冷是一个内壁具有微细结构的真空腔体，通常由铜制成。当热量由热源传导至 VC 腔体时，腔体里的冷却液受热后开始产生气化现象，液体汽化吸热，当气相工质接触到较冷的区域时便会产生凝结的现象，借由凝结释放出之前吸收的热量。凝结后的冷却液会借由微结构的毛细管道再回到蒸发热源处，该过程将在腔体内周而复始进行。VC 液冷原理上类似于热管，散热效果提升有限，且散热能力受环境温度影响较大。热电制冷器( thermoelectric cooler，TEC) 是一种体积小、制冷量高的主动制冷器件，在手机制冷方面具有很高的应用前景。

TEC 是一种主动制冷装置，在电流的驱动下可以将热量从制冷器的冷端传递至热端。然而，随着热量在 TEC 热端迅速积累，热端温度升高，TEC 的制冷效率将会下降。因此，在应用 TEC 时，应在其热端增加散热设计。H． S． Huang 等采用循环水冷 系统作为 TEC 热端散热装置，该制冷系统比传统水 冷系统的制冷效率更高。Wang Jing 等提出一种 将 TEC 和电晕风冷系统耦合的制冷装置。+vx：fggc08 S． AlShehri 等开发了一种应用于计算机芯片的热管理系统。在该系统中，TEC 热端温度由热沉和风扇的组合进行调控。但该制冷系统体积较大，难以应用于手机制冷系统。此外，在上述研究中，热源均以恒定发热体替代，且大多为温度分布均匀的热源。因此，有必要根据实际芯片的热点分布设计热电制冷系统。通常，研究者使用 TEC 时，会将其冷端直接附着在热源表面，这种直接连接的方式并不能充分发挥热电制冷器的制冷效率，反而会增加设备的功耗。因此，设计热源与冷端之间的导热层是提高热电制冷系统制冷效率的最有效途径。利用 TEC 解决微芯片散热问题的研究逐渐受到关注，但目前对于非均匀分布热点问题的研究还很少。微尺寸( 约 1 mm) 的 TEC 虽然可以针对性地解决该问题，但其设计和制造过程较为复杂、造价十分昂贵，短期内还不能用于手机芯片制冷。因此，本文将采用小尺寸 ( 12. 1 mm×11. 2 mm) TEC 构建热管理系统。

为增强 TEC 在小空间中的制冷效果，本文基于有限元仿真，对热电制冷系统中各向异性导热层和热端热沉进行设计。根据仿真结果，建立了基于 TEC 的热管理系统，并采用周期性供电系统来降低热沉温度和功耗。为了保证实验的真实性，以手机芯片作为热源并搭建相应的测试环境，采用开源程序使手机满载运行并实时监控其芯片利用率。

1 实验1.1 基于 Peltier 效应的热电制冷器

构建了如图 1 所示的芯片模型，该模型参考一般芯片的微结构，由不同材料堆叠而成的多层组合。各层模型的尺寸如表 1 所示，模型中的所有材料参数均为实际材料的平均属性，如表 2 所示。该模型用于研究芯片满载时的温度场。此外，还构建了适用于该芯片模型的小型 TEC 模型，通过多物理场耦合和有限元数值分析的方法进行实体建模和单因素分析，以指导 TEC 在手机芯片制冷中的应用。

图 1 芯片模型及网格划分表 1 芯片模型尺寸

1.2 热管理系统

手机满负荷工作时，温度迅速升高。为解决手机芯片散热问题，设计了基于仿真结果的热管理系统。该系统由 TEC、控制器、热沉和电源组成。TEC 的冷端与芯片通过导热层相连，热端与铜制热沉相连。电源和控制器为 TEC 提供可控能源。通过测量芯片的温度及芯片利用率来检验热管理系统对手机芯片的散热效果。

2 结果与讨论

2. 1 芯片温度场

为研究芯片满载时的温度场分布，建立了芯片仿真模型。芯片的基板和填充物的网格尺寸为 0. 5 mm，其余结构的网格尺寸为 0. 2 mm。在本仿真中，+vx：fggc08 环境温度设置为 25 ℃，对流传热系数设置为 300 W/( m2·℃ ) ; 外部硅层 A 的光谱辐射力设置为 2. 5 W/mm3，外部硅层 B 的光谱辐射力设置为 0. 05 ～ 3 W/mm3，非均匀分布。TEC 模型及芯片模型温度场如图 2 所示。由温度场模拟结果( 图 2( a) ) 可知， 硅层的温度最高，最高温度达到 102. 8 ℃，这将破坏 手机的大部分电子器件。为降低芯片温度，采用 TEC 对芯片进行制冷。基于现有工艺，设计了尺寸为 12. 1 mm×11. 2 mm×1. 95 mm 的块状热电器件( 图 2 ( b) ) 。由图 2( c) 可知，当环境温度为 25 ℃ 时，TEC 输入电流设置为 300 mA，芯片的最高温度降至 72. 5 ℃，TEC 成功地将芯片的热转移至热端。但如图 2 ( c) 中截面图所示，芯片温度呈现非均匀分布，TEC 的冷端温度也呈现相同的分布。因此，本文将探索一 种解决非均匀分布热点的方法，以提高制冷效率。

图 2 TEC 模型及芯片模型温度场

2. 2 导热层设计

上述结果表明，TEC 的引入降低了芯片的温度， 但还未能解决热点分布不均匀的问题。为了提高制冷系统的效率并改善芯片温度场分布，本文探索了导热层的设计。添加导热层后芯片模型的温度场如图 3 所示。如图 3( a) 所示，导热层是一片厚度为 0. 1 mm，导热系数为 1 W/( m·℃ ) 的薄片，导热层的加入 进一步降低了芯片的温度，但热分布的均匀性并未得到很大的改善。因此，改变了导热层的面外与面内导热系数，试图影响热传导的过程，从而改善芯片的热分布。

图 3 添加导热层后芯片模型的温度场

图 3( b) 所示为面内与面外导热系数的比值对芯片温度的影响。当该比值大于 1 时，芯片温度降幅较 大，且在相同比例下，随着面外导热系数的增大，降温幅度也在增大。当面外导热系数从 1 W/( m·℃ ) 增 至 5 W/( m·℃ ) 时，芯片温度显著下降，但进一步增加面外导热系数并不会使芯片温度发生太大变化。当数值超过 5 W/( m·℃ ) 时，面内导热系数的增加对制冷效果的影响比面外导热系数更显著。

由图 3( c) 可知，当面外导热系数为 60 W/( m·℃) 时，芯片温度随面内面外导热系数比值的增加而降低。此外，芯片的热点集中在光谱辐射力数值较大的区域，热点的尺寸随着比值的增加而减小，特别是当比值大于 1 时，温度分布基本是均匀的，有效缓解了热点分布不均匀的问题。提高导热系数可使芯片温度分布更均匀，有效缓解了分布式热点问题，并使芯片温度保持在较低的水平，且在实际应用中，由于面内导热系数的增加对制冷效果的影响比面外导热系数更显著，应重点寻找面内导热系数大的导热层材料。

2. 3 热沉设计

由 2. 2 节的仿真结果可知，虽然芯片温度降低 了，+vx：fggc08 但 TEC 的热端温度非常高( 约 100 ℃ ) ，这对 TEC 是不利的，会降低 TEC 的效率。因此，设计了一种小尺寸的热沉以降低热端温度。图 4 所示为添加热沉后的温度分布，热沉为导热系数为 400 W/( m·℃ ) 的矩形块体，此外，2. 2 节设计的导热层面外导热系数为 60 W/( m·℃) 、面内导热系数为 1 800 W/( m·℃) 。与图 3 中的温度场对比可知，增加了热沉后 TEC 热端温度得到降低，芯片温度随热端温度的降低而进一步降低。结果表明，热沉对热电制冷系统的制冷效果非常重要。为进一步优化制冷效果，对不同尺寸的热沉进行了研究。

图 4 带 TEC、导热层和热沉模型温度场

图 5 所示为改变热沉厚度及其底面面积后芯片和热沉温度的变化，可知，温度随热沉厚度和面积的增加而降低。考虑到热管理系统的应用基础是小型电子设备，仿真中热沉厚度的变化范围较小。在相同底面面积下，热沉厚度从 0. 5 mm 增 至 1. 5 mm，芯片温度的下降不超过 1 ℃ ，热沉温度下降不超过 2 ℃ 。而在厚度相同的情况下，当热沉底面面积从 98 mm2增至 1800 mm2时，芯片温度下降超过 18 ℃ ，热沉温度下降超过 45 ℃ 。结果表明，在小型电子设备中，增加热沉面积可以进一步提高 TEC 的制冷效率。

图 5 热沉厚度和底面面积对制冷效果的影响

2. 4 热管理系统的验证

基于仿真结果，设计了一种高效的 TEC，并应用于热管理系统以检验热管理系统的制冷效果。热管理系统及测试系统如图 6 所示，TEC 与仿真模型同尺寸，且拥有 65 对热电对，最大制冷量为 6. 3 W，相关参数如表 3 所示。在实验中，热管理系统由带有导热 层的 TEC、热沉和控制器( Arduino UNO 开发板及其 外围电路) 组成。TEC 的冷端以导热硅胶与导热层连接，再贴合在手机芯片上，最后，将热沉附在 TEC 的热侧。导热层采用石墨烯复合膜，该产品具有胶面，+vx：fggc08 便于直接贴附在手机芯片表面并且可以起到联接 TEC 的作用; 根据出厂参数可知，导热层面内导热系数 为 1500 W/( m·℃) ，面外导热系数为 60 W/( m·℃) 。此外，热沉采用边长为 45 mm 的矩形薄铜片。控制器用于调节 TEC 的工作状态。在测试系统中，采用直流稳压电源为控制器供电，采用多路温度计监控芯片和热沉的温度。

图 6 热管理系统及测试系统表 3 TEC 参数

在测试中，利用应用程序使芯片满负荷工作，并通过 TEC 系统调控芯片的温度。由于芯片的自主保护策略，芯片的利用率在较高的温度下会受到限制以防止芯片热衰竭，随着芯片温度的下降限制将逐渐解除。此外，对采用被动散热的芯片进行了温度测量。测试结果如图 7 所示。由图 7( a) 可知，被动散热的芯片保持在约 40 ℃。当使用 TEC 时，芯片温度随着电流的增加而迅速下降，当 TEC 通入的电流达到 300 mA 时，芯片温度降至 30 ℃。但随着时间的推移，芯片的温度逐渐升高。此外，如图 7( c) 中紫色线条结果所示，热沉的温度急剧上升，这表明热沉在快速积累热量，即 TEC 热端温度快速上升，导致制冷效率的下降和芯片温度的上升。为了解决热积累问题，为 TEC 设计了周期性的供电策略，测量芯片和热沉在不同占空比下的温度。如图 7( b) 所示，芯片的温度迅速下降，然后在一个小范围内波动。+vx：fggc08 随着供电周期占空比的减小，芯片温度在达到最低温度后趋于稳定。但当占空比小于 50% 时，芯片温度超过 38 ℃，散热效率较差。如图 7( c) 所示，在 TEC 不工作的情况下，热沉温度为 36. 9 ℃。在 TEC 开始工作后，热沉温度迅速上升，导致 TEC 冷却效果逐渐下降，芯片温度升高。温升速率随占空比的减小而减小，说明减小占空比可以优化 TEC 的应用效果。由于手机是手持设备，热沉的温度需要控制到一定程度，否则会影响使用体验。

图 7 实测结果

通过手机应用监控芯片利用率，结果如图 7( d) 所示。在连续输入 300 mA 电流的情况下，芯片的利用率先快速增加后持续下降。而采用周期性供电策略时，虽然降低了芯片的最大利用率，但提高了芯片的稳定性。+vx：fggc08 此外，综合考虑散热效果和热沉的温度，采用占空比为 75%的周期电源是制冷效果最为良好且稳定的策略。结果表明，采用基于 TEC 的热管理系统降低了芯片温度，提高了芯片利用率，提高了手机的流畅性。

TEC 是一种主动制冷装置，通过调控输入电流，制冷量会随之改变，为精确调控目标温度奠定了基础。本文中采用的器件，其制冷量可达到 6. 3 W，是被动制冷无法企及的。但在带来可观制冷量的同时，该器件需要通入 1. 2 A、9. 6 V 的直流电流，这对于小型移动设备是较大的负荷，因此，采用周期性供电策略，一方面减少了 TEC 热端热量的积累，另一方面减少了约 25%电功耗。

3 结论

本文通过有限元分析方法讨论了导热层和热沉对 TEC 制冷效率的影响，基于仿真设计开发了用于手机芯片的热电型热管理系统，得到如下结论:

1) 在 TEC 与热点的接触面中添加导热层可以降低芯片温度，且导热层的面内导热系数越大，芯片的温度分布越均匀。

2) 在 TEC 热端添加热沉可以有效降低 TEC 热端的温度，从而提高 TEC 的制冷效果; 热沉面积越大，制冷效果提升越大，但在 0. 5 ～ 1. 5 mm 范围内热沉厚度的变化对制冷效果影响较小。

3) 室温条件下，使用周期性供电策略，可以在不降低 TEC 响应速率的前提下有效降低 TEC 热端的热 积累速率。

4) 该热管理系统能使手机芯片的温度降至 34 ℃，成功解决了手机芯片的散热问题。与传统的手机散热方案相比，基于 TEC 的热管理系统散热效率高，可控性好，还可以用于解决各种小芯片散热问题。

TEC 是一种无活动性部件、体积小的主动制冷装置，为高度集成提供了可能性。另一方面，TEC 制冷量十分可观，但对于手机这类需要不断充电的移动设备，TEC 制的功耗较大，在今后的工作中需要深入探索，进一步优化制冷系统的能耗，在能耗和高效制冷之间寻求最佳平衡。