CN112066592A - 一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，所述制冷方法基于如下超薄热电薄膜结构，所述超薄热电薄膜结构包括热电模块、芯片和直流电源，所述芯片布置于热电模块的冷端，所述热电模块的正极接线端通过继电器与直流电源的正极相连接，所述热电模块的负极接线端直流电源的负极相连接，所述继电器4的控制端与控制器信号连接；第一步：测试学习，记录并存储尖峰功率持续时间为ΔT；第二步：瞬态制冷，当功率达到尖峰功率后0.4ΔT时开始制冷，持续0.8ΔT停止制冷。本设计不仅降温迅速、无滞后性，而且采用脉冲制冷，在满足芯片降温需求的同时减小器散热的负担，提高实际降温效果。

Description

一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法
技术领域
本发明涉及一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，具体适用于对尖峰功率时刻芯片的热电瞬态制冷，以抑制芯片在突然增加功率的情况下温度升高过快导致的芯片工作性能下降。
背景技术
随着电子科技的不断进步，芯片向着更微型且更高速高功率的方向发展，当芯片突然增加运行功率时，其单位时间内的发热量由此剧增，芯片的温度也随之迅速增加，特别在尖峰功率工作状况下，芯片温度大幅升高导致工作效率大大降低，这将对芯片的使用寿命以及工作效率产生不可忽视的影响。然而通常的空气对流散热、热管或热板散热具有滞后性，难以满足芯片快速降温的要求。因此需要一种瞬态制冷技术，特别是对于手机等无法加以强制对流散热的设备，在尖峰负荷状况下对热电薄膜加以脉冲电流实现芯片迅速降温目的，防止焦耳热积累，抑制芯片在突然增加功率的情况下导致的温度过高以及工作效率降低抑，从而保证芯片在动态功率下持续稳定高效的工作。
芯片散热研究发现，影响芯片工作性能的主要原因是因为尖峰负荷下芯片的过热。热电制冷技术(Thermoelectric Cooling Technology)是利用半导体材料的帕尔贴效应，即当有直流电流通过P型和N型半导体组成的热电偶对时，其一端吸热，一端放热的现象。当前，半导体材料主要采用重参杂的P型和N型的蹄化铋。热电瞬态制冷技术(Thermoelectric Transient Cooling Technology)即为热电偶对增加一个脉冲电流，使其端部吸热量或放热量迅速增加，用以实现芯片的瞬态降温。本发明的用于芯片的超薄热电薄膜瞬态制冷技术，相比于现有的芯片制冷技术(风机强制对流散热)，其具有设备体积小，无机械运转，无磨损，无噪音，制冷迅速无滞后性等特点，因此用于芯片的超薄热电薄膜瞬态制冷技术具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的芯片升温降低工作效率的问题，提供了一种应用于芯片的保证芯片工作效率的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，所述制冷方法基于如下超薄热电薄膜结构，所述超薄热电薄膜结构包括热电模块、芯片和直流电源，所述芯片布置于热电模块的冷端，所述热电模块的正极接线端通过继电器与直流电源的正极相连接，所述热电模块的负极接线端直流电源的负极相连接，所述继电器4的控制端与控制器信号连接；
所述热电模块包括至少一个热电偶、铜导流片以及陶瓷导热绝缘板，所述热电偶由相同结构的P型半导体和N型半导体构成，所述P型半导体和N型半导体通过多个铜导流片首尾串联，所述铜导流片的外侧均布置有陶瓷导热绝缘板，所述芯片布置于热电模块冷端的陶瓷导热绝缘板上；
所述热电偶的厚度为10um—50um，所述铜导流片厚度为1um—5um，所述陶瓷绝缘板的厚度为1um—5um；
所述超薄热电薄膜的瞬态制冷方法包括如下步骤：
第一步：测试学习，运行芯片，在芯片运行的过程中控制器监测芯片的实时功率，当芯片的功率达到设定功率P2时开始计时，直到芯片的功率低于设定功率P2时停止计时，此时测得尖峰功率持续时间为ΔT，控制器将该时间进行存储，此时测试学习完成，进入下一步；
第二步：瞬态制冷，在完成学习后在运行芯片时，控制器监测芯片的实时功率，当芯片的功率达到设定功率P2时开始计时，当计时到达0.4ΔT时，控制继电器给热电模块通电，此时热电模块通电开始制冷为芯片降温，当计时到达1.2ΔT时，控制继电器给热电模块断电，此时控制器计时清零，控制器继续监测芯片的实时功率，功率达到设定功率P2重复上述瞬态制冷过程，当芯片停止工作时控制器5停止监测。
所述热电模块1中热电偶11的电流密度大小为0.5*108A/m2—20*108A/m2，所述热电模块1通电电流等于电流密度与单个铜导流片12的横截面积的积。
所述热电偶11的厚度为20um，所述铜导流片12厚度为2um，所述陶瓷绝缘板13的厚度为2um；所述热电模块1中热电偶11的电流密度大小为2*108A/m2，所述热电模块1通电电流等于电流密度与单个铜导流片12的横截面积的积。
所述热电模块1为化学气相沉积法制作的热电模块；
所述P型半导体111和N型半导体112呈行列式摆列设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法中直接采用化学气相沉积法将热电薄膜生成在芯片上对其进行尖峰功率降温，利用电子作为冷却介质，从而实现降温无滞后性，以达到迅速降低芯片温度的目的。因此，本设计降温迅速、无滞后性。
2、本发明一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法中对热电薄膜加载脉冲电流，实现对尖峰功率时刻芯片的热电瞬态制冷，以抑制芯片在突然增加功率的情况下温度升高过快导致的芯片工作性能下降，从而保证芯片在动态功率下持续稳定高效的工作；对热电薄膜加载脉冲电流的瞬态制冷可以有效降低持续热电制冷导致的电池耗能，也可降低热电薄膜焦耳热积累，减小其自身工作产热导致的额外散热负担，进而增强芯片的实际降温效果；同时，可根据芯片瞬态热流的大小调节脉冲电流的大小和加载时长以满足芯片实际工作中的降温需求。因此，本设计的制冷方法利用脉冲电流驱动热电模块工作，在满足芯片降温需求的同时减小器散热的负担，提高实际降温效果。
3、本发明一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法中热电模块的大小和形状可根据芯片的大小以及空间分布进行调整，热电模块各部分的横截面积也可以根据芯片大小灵活调整生成，同时可以通过优化电偶壁的高度和数量进而调节对芯片的降温效果。因此，本设计的热电模块结构布置灵活，能够适应不同规格芯片需要。
4、本发明一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法中根据芯片的尖峰功率工作时间，设定对应的热电薄膜降温方案，能够满足不同规格芯片的降温需求的同时，实现高效降温。因此，本设计的制冷方法能够满足不同规格芯片的降温需求的同时，实现高效降温。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中热电模块的立体结构示意图。
图3是本发明中芯片的运行功率示意图。
图4是本发明中热电模块脉冲电流示意图。
图5是本发明中芯片制冷效果曲线示意图。
图中：热电模块1、热电偶11、P型半导体111、N型半导体112、铜导流片12、上铜导流片121、下铜导流片122、陶瓷导热绝缘板13、芯片2、直流电源3、继电器4、控制器5。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图5，一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，所述制冷方法基于如下超薄热电薄膜结构，所述超薄热电薄膜结构包括热电模块1、芯片2和直流电源3，所述芯片2布置于热电模块1的冷端，所述热电模块1的正极接线端通过继电器4与直流电源3的正极相连接，所述热电模块1的负极接线端直流电源3的负极相连接，所述继电器4的控制端与控制器5信号连接；
所述热电模块1包括至少一个热电偶11、铜导流片12以及陶瓷导热绝缘板13，所述热电偶11由相同结构的P型半导体111和N型半导体112构成，所述P型半导体111和N型半导体112通过多个铜导流片12首尾串联，所述铜导流片12的外侧均布置有陶瓷导热绝缘板13，所述芯片2布置于热电模块1冷端的陶瓷导热绝缘板13上；
所述热电偶11的厚度为10um—50um，所述铜导流片12厚度为1um—5um，所述陶瓷绝缘板13的厚度为1um—5um；
所述超薄热电薄膜的瞬态制冷方法包括如下步骤：
第一步：测试学习，运行芯片2，在芯片2运行的过程中控制器5监测芯片2的实时功率，当芯片2的功率达到设定功率P2时开始计时，直到芯片2的功率低于设定功率P2时停止计时，此时测得尖峰功率持续时间为ΔT，控制器5将该时间进行存储，此时测试学习完成，进入下一步；
第二步：瞬态制冷，在完成学习后在运行芯片2时，控制器5监测芯片2的实时功率，当芯片2的功率达到设定功率P2时开始计时，当计时到达0.4ΔT时，控制继电器4给热电模块1通电，此时热电模块1通电开始制冷为芯片2降温，当计时到达1.2ΔT时，控制继电器4给热电模块1断电，此时控制器5计时清零，控制器5继续监测芯片2的实时功率，功率达到设定功率P2重复上述瞬态制冷过程，当芯片2停止工作时控制器5停止监测。
所述热电模块1中热电偶11的电流密度大小为0.5*108A/m2—20*108A/m2，所述热电模块1通电电流等于电流密度与单个铜导流片12的横截面积的积。
所述热电偶11的厚度为20um，所述铜导流片12厚度为2um，所述陶瓷绝缘板13的厚度为2um；所述热电模块1中热电偶11的电流密度大小为2*108A/m2，所述热电模块1通电电流等于电流密度与单个铜导流片12的横截面积的积。
所述热电模块1为化学气相沉积法制作的热电模块；
所述P型半导体111和N型半导体112呈行列式摆列设置。
本发明的原理说明如下：
本发明采用对热电薄膜加载脉冲电流的方法，实现对尖峰功率时刻芯片的热电瞬态制冷，以抑制芯片在突然增加功率的情况下温度升高过快导致的芯片工作性能下降，从而保证芯片在动态功率下持续稳定高效的工作。
此技术利用帕尔贴效应无滞后性，具有降温迅速以及便于调节控制等优点，直接使用化学气相沉积方法将热电薄膜生成在芯片上对其进行尖峰功率降温，该设计具有结构简单、体积紧凑，制冷能力可以通过调整电流灵活控制等特点。根据芯片瞬态热流的大小，调节脉冲电流的大小和加载时长以满足芯片实际工作中的降温需求。
另外，热电模块的大小和形状可根据芯片产热区域的大小和以及空间分布进行调整。可以通过优化热电偶对的高度和数量进而调节对芯片的降温效果。热电薄膜瞬态制冷可以有效降低热电制冷导致的电池耗能，同时降低热电薄膜焦耳热积累，减小其自身工作产热导致的额外散热负担，进而增强芯片的实际降温效果。
化学气相沉积法：首先，利用含有陶瓷元素的气相化合物，在芯片上进行化学反应生成薄膜。接着，在陶瓷薄膜即陶瓷绝缘板13上采用气相沉积或者电镀的方法制备一层铜膜，然后利用激光切割技术，用聚焦镜将激光束聚焦在铜膜需切割的部位，使该部位熔化，生成规则布置的上铜导流片121阵列。如此按照热电模块冷端到热端材料的布置，再依次生成P型半导体111和N型半导体112、下铜导流片122以及下陶瓷绝缘板13。可调节直流电源将电流由首端和尾端铜导流片施加于所有铜导流片12、P型半导体111和N型半导体112，电流的大小为电流密度与铜导流片的横截面积之积。
实施例1：
一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，所述制冷方法基于如下超薄热电薄膜结构，所述超薄热电薄膜结构包括热电模块1、芯片2和直流电源3，所述芯片2布置于热电模块1的冷端，所述热电模块1的正极接线端通过继电器4与直流电源3的正极相连接，所述热电模块1的负极接线端直流电源3的负极相连接，所述继电器4的控制端与控制器5信号连接；所述热电模块1包括至少一个热电偶11、铜导流片12以及陶瓷导热绝缘板13，所述热电偶11由相同结构的P型半导体111和N型半导体112构成，所述P型半导体111和N型半导体112通过多个铜导流片12首尾串联，所述铜导流片12的外侧均布置有陶瓷导热绝缘板13，所述芯片2布置于热电模块1冷端的陶瓷导热绝缘板13上；所述热电偶11的厚度为10um—50um，所述铜导流片12厚度为1um—5um，所述陶瓷绝缘板13的厚度为1um—5um；
所述超薄热电薄膜的瞬态制冷方法包括如下步骤：
第一步：测试学习，运行芯片2，在芯片2运行的过程中控制器5监测芯片2的实时功率，当芯片2的功率达到设定功率P2时开始计时，直到芯片2的功率低于设定功率P2时停止计时，此时测得尖峰功率持续时间为ΔT，控制器5将该时间进行存储，此时测试学习完成，进入下一步；
第二步：瞬态制冷，在完成学习后在运行芯片2时，控制器5监测芯片2的实时功率，当芯片2的功率达到设定功率P2时开始计时，当计时到达0.4ΔT时，控制继电器4给热电模块1通电，此时热电模块1通电开始制冷为芯片2降温，当计时到达1.2ΔT时，控制继电器4给热电模块1断电，此时控制器5计时清零，控制器5继续监测芯片2的实时功率，功率达到设定功率P2重复上述瞬态制冷过程，当芯片2停止工作时控制器5停止监测。
所述热电模块1中热电偶11的电流密度大小为0.5*108A/m2—20*108A/m2，所述热电模块1通电电流等于电流密度与单个铜导流片12的横截面积的积。
实施例2：
实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：
所述热电偶11的厚度为20um，所述铜导流片12厚度为2um，所述陶瓷绝缘板13的厚度为2um；所述热电模块1中热电偶11的电流密度大小为2*108A/m2，所述热电模块1通电电流等于电流密度与单个铜导流片12的横截面积的积；所述热电模块1为化学气相沉积法制作的热电模块；所述P型半导体111和N型半导体112呈行列式摆列设置。

Claims (4)

1.一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，其特征在于：
所述制冷方法基于如下超薄热电薄膜结构，所述超薄热电薄膜结构包括热电模块(1)、芯片(2)和直流电源(3)，所述芯片(2)布置于热电模块(1)的冷端，所述热电模块(1)的正极接线端通过继电器(4)与直流电源(3)的正极相连接，所述热电模块(1)的负极接线端直流电源(3)的负极相连接，所述继电器(4)的控制端与控制器(5)信号连接；
所述热电模块(1)包括至少一个热电偶(11)、铜导流片(12)以及陶瓷导热绝缘板(13)，所述热电偶(11)由相同结构的P型半导体(111)和N型半导体(112)构成，所述P型半导体(111)和N型半导体(112)通过多个铜导流片(12)首尾串联，所述铜导流片(12)的外侧均布置有陶瓷导热绝缘板(13)，所述芯片(2)布置于热电模块(1)冷端的陶瓷导热绝缘板(13)上；
所述热电偶(11)的厚度为10um—50um，所述铜导流片(12)厚度为1um—5um，所述陶瓷绝缘板13的厚度为1um—5um；
所述超薄热电薄膜的瞬态制冷方法包括如下步骤：
第一步：测试学习，运行芯片(2)，在芯片(2)运行的过程中控制器(5)监测芯片(2)的实时功率，当芯片(2)的功率达到设定功率P2时开始计时，直到芯片(2)的功率低于设定功率P2时停止计时，此时测得尖峰功率持续时间为ΔT，控制器(5)将该时间进行存储，此时测试学习完成，进入下一步；
第二步：瞬态制冷，在完成学习后在运行芯片(2)时，控制器(5)监测芯片(2)的实时功率，当芯片(2)的功率达到设定功率P2时开始计时，当计时到达0.4ΔT时，控制继电器(4)给热电模块(1)通电，此时热电模块(1)通电开始制冷为芯片(2)降温，当计时到达1.2ΔT时，控制继电器(4)给热电模块(1)断电，此时控制器(5)计时清零，控制器(5)继续监测芯片(2)的实时功率，功率达到设定功率P2重复上述瞬态制冷过程，当芯片(2)停止工作时控制器(5)停止监测。
2.根据权利要求1所述的一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，其特征在于：
所述热电模块(1)中热电偶(11)的电流密度大小为0.5*108A/m2—20*108A/m2，所述热电模块(1)通电电流等于电流密度与单个铜导流片(12)的横截面积的积。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，其特征在于：
所述热电偶(11)的厚度为20um，所述铜导流片(12)厚度为2um，所述陶瓷绝缘板13的厚度为2um；所述热电模块(1)中热电偶(11)的电流密度大小为2*108A/m2，所述热电模块(1)通电电流等于电流密度与单个铜导流片(12)的横截面积的积。
4.根据权利要求3所述的一种应用于芯片的超薄热电薄膜的瞬态制冷方法，其特征在于：
所述热电模块(1)为化学气相沉积法制作的热电模块；
所述P型半导体(111)和N型半导体(112)呈行列式摆列设置。
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