微型热电制冷器的有效热物性及制冷性能研究

微电子器件不断向高集成、微型化方向的发展以及芯片运行速度与功耗的不断提高,导致电子器件产生极高的热流密度,尤其是容易产生热点问题,而温度过高会严重影响电子元器件的可靠性与稳定性,随之而来的热管理问题已成为制约微电子器件发展及其应用的瓶颈之一。微型热电制冷器不仅尺寸可小至微纳级别、便于封装集成、可靠性高、可提供精确的温度控制,而且冷却热流密度高达1250 W/cm~2,在小型化、高集成且高性能的电子器件热管理,尤其是局部冷却方面有着非常大的应用潜力。但是,由于界面效应、尺度效应等微观因素的影响,微型热电制冷器的有效热物性及实际制冷性能往往低于理论效果,且目前对微型热电制冷器的有效热物性的理论研究仍不完善,而这恰是诠释微型热电制冷器的热-电输运与转换机制,对微型热电制冷器的性能进行分析、优化的关键且亟待解决的问题。因此,本论文旨在探索微型热电制冷器的有效热物性及制冷性能,并诠释其性能的影响因素。首先,基于玻尔兹曼输运方程建立了表征微型热电制冷器的有效热物性参数及性能与尺度、界面效应之间联系的数值模型,通过与实验数据对比验证了模型的合理性与有效性,然后分析了有效热物性参数的尺度特性;另外,进一步建立了表征汤姆逊效应对微型热电制冷器的温度特性及制冷性能影响的数值模型,并探究了不同温差及冷负荷下汤姆逊效应对不同尺度的微型热电制冷器性能的影响。最后,研究了微型热电制冷器冷却大功率LED器件的实际性能,根据实际购买的LED器件设计了微型热电制冷器冷却LED的嵌入式结构,并对集成微型热电制冷器后LED的热性能、光学性能及综合性能进行了分析。研究表明边界效应会显著降低微型热电制冷器热电臂的有效塞贝克系数、有效导热系数、有效优值系数,并增加有效电阻率,且热电臂的厚度越小边界效应的影响越显著,例如,当热电臂的厚度从20μm减小到5μm时,与热电材料的固有优值系数相比,微型热电制冷器的有效优值系数的减小量从5%增大到18.1%。在对微型热电制冷器的有效物性参数的影响因素中边界电阻的影响最大,其次是声子边界热阻。另外,边界效应会减弱微型热电制冷器的制冷效果,且冷负荷越大其影响越大。汤姆逊效应对微型热电制冷器的温度特性及制冷性能影响与其尺度以及冷端热流密度密切相关;研究结果表明汤姆逊效应可以提升微型热电制冷器的制冷量,且随着工作电流和热电臂厚度的增大,效果愈来愈明显。另外,对于热电臂厚度一定的微型热电制冷器,当面长比(43)逐渐增加时,汤姆逊效应对其最大制冷温差的影响越来越小。汤姆逊效应对微型热电制冷器性能的提升在高热流密度工况下更为显著。表明可以通过改善热电臂的塞贝克系数的温度依赖性来进一步提高热电制冷器的性能,尤其是微型热电制冷器在高热流密度的电子器件冷却的应用方面。本论文所设计的嵌入式微型热电制冷器能够显著降低大功率LED芯片的结点温度,并大幅提升LED的光效率与寿命。集成微型热电制冷器后LED芯片结点温度的最大温降可达12.3°C,LED器件的光效率与寿命可分别提升12.3%与50%。虽然微型热电制冷器会消耗额外的电功率,微型热电制冷器与LED器件的综合性能仍然可以得到大幅提升。另外,对界面效应的研究发现边界效应和接触效应都会使芯片结点温度升高,且接触效应的影响更加显著。与边界热阻相比,边界电阻对芯片结点温度的不利影响占据主导地位;与边界效应不同的是,接触效应中接触热阻的影响相对于接触电阻占据主导作用。该发现表明在对边界效应进行优化时,应主要针对边界电阻,即电子的输运机制;而对接触效应进行优化时,应主要针对接触热阻。本论文诠释了影响微型热电制冷器的有效热物性及制冷性能的微观因素及机理,且所提出的数值方法能够为微型热电制冷器的有效热物性及制冷性能的研究提供理论支撑,研究内容对微型热电制冷器在电子器件热管理中的应用、设计和优化具有较高的参考价值和指导意义。