CN113793837A - 一种芯片的自感知温控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种芯片的自感知温控系统，属于微型电子设备芯片散热技术领域。本发明的热电制冷片的热端陶瓷片有多个凹槽，凹槽内装有低熔点合金，在一个凹槽内，低熔点合金通过铜块与热电臂接触；冷端陶瓷片吸收待散热的芯片局部热点热量，传至热端陶瓷片，当温度上升至低熔点合金的熔点时，低熔点合金熔化、膨胀，并与散热翅片底部接触，散热翅片将热量扩散，并通过散热风扇的强迫对流方式进行散热；同时通过铜块导电，热电制冷片开始工作，有效为待散热的芯片局部热点制冷，实现精准控温；当待散热的芯片降低至一定温度时，低熔点合金开始凝固、收缩，电路断开连接，热电制冷片停止工作，实现“自感知温控”，有效减少能耗，避免过度冷却。

Description

一种芯片的自感知温控系统
技术领域
本发明涉及一种芯片的自感知温控系统，具体涉及一种基于热电制冷的芯片自感知精准控温制冷系统，属于微型电子设备芯片散热技术领域。
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。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，热点处的热流密度能够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。风冷、水冷等散热方式在许多散热应用中仍然存在，但属于被动式散热，无法进行精确的温控，无法满足有高热流密度的电子芯片的降温。水冷系统结构复杂、体积大、噪声大，不利于电子设备小型化、一体化，且水的泄露易产生的短路问题。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。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，但通道截面积小，液体单相流经微通道时会伴随较大的温升，这会引起热应力过高或芯片热电不匹配等严重的问题。微热管冷却方式，器件两端为工作区，中间为绝缘端，利用介质的恒温相变吸热来进行冷却，但蒸发端与冷凝器相对位置对于冷却性能有影响，且散热器结构复杂、密封性要求高，体积要求较大，在微型化使用时，受多方面限制。微喷流冷却通过喷嘴喷出的高速液滴或气流进行冷却，换热系数很高，具有极高的传热效率，但在微型化使用时喷口尺寸减小，所需驱动压力增加，会增大功耗，且微射流只是喷到滞止区，冷却面积小，使得芯片温度分布不均匀。还有利用热声效应，使声能和热能之间发生相互转换的为微热声冷却，不足之处此冷却方式效率较低，不能满足高热流密度的电子芯片的散热。
热电制冷也叫半导体制冷，是利用半导体材料的帕尔帖效应来实现制冷的一门新兴技术。热电制冷是利用半导体材料的热电效应为芯片进行主动散热，将微型热电片接入电源，将其冷端接触芯片表面，从而进行主动散热。无需制冷剂且没有机械运动部件，具有主动进行能量转移，易于调节、易于小型化，快速精确制冷、超静音且寿命长的优点，被广泛用于航空、仪器仪表、工业或商业产品。
发明内容
本发明公开的一种芯片的自感知温控系统，基于热电制冷吸收芯片局部热点热量，实现精准控温；利用低熔点合金作为热电制冷片的热开关和电开关，实现“自感知温控”。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明的一种芯片的自感知温控系统，基于热电制冷吸收芯片局部热点热量，实现精准控温；利用低熔点合金作为热电制冷片的热开关和电开关，实现“自感知温控”。
所述低熔点合金用于作为热电制冷片的热开关和电开关，实现“自感知温控”，其熔点范围根据热电制冷片的热开关、电开关及经济性需求而定。
本发明的一种芯片的自感知温控系统，包括导热铜片、热电制冷片、低熔点合金、铜块、散热翅片、散热风扇。
进一步的，所述热电制冷片包括热端陶瓷片、冷端陶瓷片和热电臂。
所述导热铜片的下表面与待散热的芯片接触连接，所述导热铜片的上表面与所述散热翅片的下端接触连接，所述散热风扇固定安装在所述散热翅片的上端，所述热电制冷片固定放置在所述导热铜片的中心。
进一步的，所述冷端陶瓷片与所述待散热的芯片接触，所述热端陶瓷片有多个凹槽，凹槽内装有所述低熔点合金。
进一步的，任选一个所述热端陶瓷片的凹槽作为所述低熔点合金与所述热电臂接触的通道，在所述低熔点合金与所述热电臂之间装有所述铜块，用以导电导热。
进一步的，所述热电制冷片的电源线经过所述热电制冷片上方与所述散热翅片底部之间的绝缘微通道。
更进一步的，所述待散热的芯片、所述导热铜片、所述热电制冷片以及所述散热翅片相接触平面之间填充导热性良好的界面材料，以降低接触热阻，并在所述热电制冷片的电源线周围填充绝缘材料。
本发明公开的一种芯片的自感知温控系统的工作方法为：所述冷端陶瓷片吸收所述待散热的芯片局部热点热量，传至所述热端陶瓷片，当所述热端陶瓷片的温度上升至所述低熔点合金的熔点时，所述低熔点合金熔化并膨胀，与所述散热翅片底部接触，将热量向上传递，所述散热翅片将热量扩散至较大的换热表面，通过所述散热风扇的强迫对流方式进行散热；同时通过所述铜块导电，形成通路，所述热电制冷片开始工作，实现精准控温，有效为所述待散热的芯片局部热点制冷；当所述待散热的芯片温度降低至一定温度时，所述低熔点合金开始凝固、收缩，电路断开连接，所述热电制冷片停止工作，实现“自感知温控”，有效减少能耗，避免过度冷却。
有益效果：
1、本发明的一种芯片的自感知温控系统，芯片高载荷运行时，其表面温度迅速升高，产热量急剧增大，提升功率以保证芯片处于正常的工作温度时，热电制冷片与其他散热方式相比，能耗最小，散热效率更高。
2、本发明的一种芯片的自感知温控系统，在热电制冷片的热端陶瓷片部分采用低熔点合金形成电开关以及热通道，在芯片温度上升至一定程度时，热电制冷片才开始通电工作，能够有效节约电量，也能够避免过度冷却。
3、本发明的一种芯片的自感知温控系统，热电制冷片结构小巧，能够实现对芯片局部热点的精准控温，除芯片局部热点部分采用热电制冷片吸收热量，其余温度不一处利用导热铜片将热量传导至散热器散出，既能够实现芯片整体散热，也能够避免过度冷却问题。
4、本发明的一种芯片的自感知温控系统，利用散热翅片将高热流密度的芯片热量传导分散，降低热流密度，能够有效的控制高热流密度芯片的温升，提升设备运行的稳定性。
5、本发明的一种芯片的自感知温控系统，结构紧凑，体积小，有利于对外形、结构复杂、高集成度、高热流密度电子元器件的散热。
附图说明
图1是本发明的一种芯片的自感知温控系统整体示意图；
其中，1-待散热的芯片，2-热电制冷片，3-导热铜片，4-散热翅片，5-散热风扇；
图2是本发明的一种芯片的自感知温控系统热电制冷片部分的局部示意图；
其中，201-热端陶瓷片，202-热电臂，203-冷端陶瓷片，6-低熔点合金，7-铜块；
图3是待散热的芯片的示意图；
图4是导热铜片的示意图；
图5是散热翅片的示意图；
图6是散热风扇的示意图；
图7是热电制冷片未导通的示意图；
图8是热电制冷片导通的示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如附图1所示，本发明的一种芯片的自感知温控系统，包括导热铜片3、热电制冷片2、散热翅片4、散热风扇5。
如附图2所示，热电制冷片2包括热端陶瓷片201、冷端陶瓷片203以及热电臂202，且热端陶瓷片201有多个凹槽，凹槽内装有低熔点合金6。
任选一个热端陶瓷片201的凹槽作为低熔点合金6与热电臂202接触的通道，在低熔点合金6与热电臂202之间装有铜块7，用以导电导热。
导热铜片3的下表面与待散热的芯片1接触连接，导热铜片3的上表面与散热翅片4的下端接触连接，散热风扇5固定安装在散热翅片4的上端，热电制冷片2固定放置在导热铜片3的中心，冷端陶瓷片203与待散热的芯片1接触，热电制冷片2的电源线经过热电制冷片2上方与散热翅片4底部之间的绝缘微通道，待散热的芯片1、导热铜片3、热电制冷片2以及散热翅片4相接触平面之间填充导热性良好的界面材料，以降低接触热阻，并在热电制冷片2的电源线周围填充绝缘材料。
本实施例的一种芯片的自感知温控系统的工作方法为：冷端陶瓷片203吸收待散热的芯片1局部热点热量，传至热端陶瓷片201，当热端陶瓷片201的温度上升至低熔点合金6的熔点时，低熔点合金6熔化并膨胀，与散热翅片4底部接触，将热量向上传递，散热翅片4将热量扩散至较大的换热表面，通过散热风扇5的强迫对流方式进行散热；同时通过铜块7导电，形成通路，热电制冷片2开始工作，实现精准控温，有效为待散热的芯片1局部热点制冷；当待散热的芯片1温度降低至一定温度时，低熔点合金6开始凝固、收缩，电路断开连接，热电制冷片2停止工作，实现“自感知温控”，有效减少能耗，避免过度冷却。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种芯片的自感知温控系统，其特征在于：基于热电制冷吸收芯片(1)局部热点热量，实现精准控温；利用低熔点合金(6)作为热电制冷片(2)的热开关和电开关，实现“自感知温控”。
2.如权利要求1的一种芯片的自感知温控系统，其特征在于：包括导热铜片(3)、热电制冷片(2)、低熔点合金(6)、铜块(7)、散热翅片(4)、散热风扇(5)；
热电制冷片(2)包括热端陶瓷片(201)、冷端陶瓷片(203)和冷端陶瓷片(202)；
导热铜片(3)的下表面与待散热的芯片(1)接触连接，导热铜片(3)的上表面与散热翅片(4)的下端接触连接，散热风扇(5)固定安装在散热翅片(4)的上端，热电制冷片(2)固定放置在导热铜片(3)的中心；
冷端陶瓷片(203)与待散热的芯片(1)接触，热端陶瓷片(201)有多个凹槽，凹槽内装有低熔点合金(6)；
任选一个热端陶瓷片(201)的凹槽作为低熔点合金(6)与冷端陶瓷片(202)接触的通道，在低熔点合金(6)与冷端陶瓷片(202)之间装有铜块(7)，用以导电导热；
热电制冷片(2)的电源线经过热电制冷片(2)上方与散热翅片(4)底部之间的绝缘微通道。
3.如权利要求2的一种芯片的自感知温控系统，其特征在于：待散热的芯片(1)、导热铜片(3)、热电制冷片(2)以及散热翅片(4)相接触平面之间填充导热性良好的界面材料，以降低接触热阻，并在热电制冷片(2)的电源线周围填充绝缘材料。
4.如权利要求1、2或3的一种芯片的自感知温控系统，其特征在于：工作方法为，冷端陶瓷片(203)吸收待散热的芯片(1)局部热点热量，传至热端陶瓷片(201)，当热端陶瓷片(201)的温度上升至低熔点合金(6)的熔点时，低熔点合金(6)熔化并膨胀，与散热翅片(4)底部接触，将热量向上传递，散热翅片(4)将热量扩散至较大的换热表面，通过散热风扇(5)的强迫对流方式进行散热；同时通过铜块(7)导电，形成通路，热电制冷片(2)开始工作，实现精准控温，有效为待散热的芯片(1)局部热点制冷；当待散热的芯片(1)温度降低至一定温度时，低熔点合金(6)开始凝固、收缩，电路断开连接，热电制冷片(2)停止工作，实现“自感知温控”，有效减少能耗，避免过度冷却。
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CN115132907A (zh) * 2022-07-07 2022-09-30 河南华辰智控技术有限公司 用于集成电路的芯片封装装置
CN116013883A (zh) * 2023-02-23 2023-04-25 哈尔滨工业大学（深圳） 一种芯片热电冷却装置
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115132907A (zh) * 2022-07-07 2022-09-30 河南华辰智控技术有限公司 用于集成电路的芯片封装装置
CN116013883A (zh) * 2023-02-23 2023-04-25 哈尔滨工业大学（深圳） 一种芯片热电冷却装置
CN117316903A (zh) * 2023-11-28 2023-12-29 合众新能源汽车股份有限公司 一种座舱域控制器用热电半导体散热结构及车辆
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