半导体制冷片对电子元件降温效果的试验研究

　　1 前言

　　根据电子学理论，CPU、内存等电子元件频率的提高虽然对其寿命不会有影响，但是却会产生高密度的热量，若散热不好将会使其温度过高，从而引发" 电子迁移" 现象。这种现象会对电子元器件造成损坏，从而降低电子元器件的寿命。为了防止"电子迁移"现象的发生，应该把CPU 等电子元件的表面温度控制在0℃以下，这CPU的内部温度就可以维持在80℃以下[1]。

　　为了使电子元器件的温度可以控制在额定温度范围之内，必须给电子元器件提供合理的散热方案。计算机中最常用的CPU 散热的方式包括:风冷散热法和水冷散热法。但是这两种散热措施并不能把CPU 表面温度降至室温以下( 水冷法可以通过在水中加冰块实现，但过于麻烦不适于实际应用) ，也就意味着无法满足更高的频率的CPU 的工作要求，因此必须选择一种新的散热方式，以保证高性能高频率CPU 芯片的稳定运行。目前新型散热方式主要有喷雾冷却、相变材料、热管和半导体制冷等。喷雾冷却在电子元件的高热流密度散热方面有广阔的应用前景，但目前的研究主要集中在传热机理、传热强化等理论及实验研究上[2 ～4]，国内还没有适合电子元件应用的小型集成化的喷雾冷却系统出现; 相变材料主要适用于具有间歇发热特性或处于波动热环境下的电子设备[5，6]; 热管散热技术也已经在电子元器件领域被普遍应用[7]。但是这些散热与传统散热方式一样，都不能把CPU 表面温度降至室温以下。半导体制冷是通过直流电制冷的一种新型制冷方式，以其强大的降温功能应用于计算机的CPU、显卡等发热部件，它的优点在于:(1) 可以把电子元件温度降低到室温以下;(2) 制冷组件为固体器件，可靠性高，失效率低;(3) 结构简单，尺寸小，质量轻，且工作时无噪声、无磨损[8，9]。

　　本文制作一种半导体制冷的冷却试验装置，对CPU 等电子元件的降温效果进行试验研究，并分析CPU 输入电压以及制冷片电压对降温效果的影响。

　　2 试验装置和试验方法

　　半导体制冷试验装置如图1 所示。主要包括CPU 模拟件、半导体制冷片、隔热槽、热电偶和数据采集仪等器材。

　　由于CPU 安装在电脑中采用管脚取电方式，不易单独外接电源，且一种型号CPU 工作功率在一个较小的范围，发热量也是如此，无法任意改变发热量，所以本试验采用一块大小与半导体制冷片相同，厚度2mm 的铜片，铜片表面用漆包的铜丝均匀缠绕，铜丝两端接稳压直流电源的方法代替CPU。半导体制冷片在安装之前需区分其冷端与热端，方法如下: 将半导体制冷片接入电源，红线接电源正极，黑线接电源负极，调节电压在2～5V 之间，用手触摸制冷片两端，明显感到冰冷的一端为冷端，烫手的一端为热端。测温时取两块厚度相同，面积与半导体制冷片相同的铜片，上面各固定两根热电偶探头，分别在一面涂上导热硅脂，将此面紧贴在制冷片的冷端与热端，以此来测量制冷片工作时冷端和热端温度。