超晶格热电材料和微型热电制冷器的设计与制造

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1、第一章绪证1．1研究背景和动机第一章绪论在上个世纪斤半页．半导体T业襄飞猛进地发展，M集成几十个元件，仅具有简单逻辑功能的小规横集成电踣．发展成为现在的集成数百万甚至上亿十元件．可完成复杂功能的大规模帛l超^规模集成电路。咀IC为主的微电子制造业，已成为迅速筮展、影响越来越太的高科拽产业。半导体拄术的集成应卧18个爿翻一番的谜应增妊。过一增长速座便是后米决定集成电路发屉趋势的库尔定律。目前-在一些茬谜固家．信息产业产值已占到田民经济总产值的40％～60％．国K经济总产值增睦部丹的65％部与微电二r璃戈。错电于产业的蛙艟逑崖、规模和科

2、学技术水平已成为衡量一个国家综音实力的重要标志，成为促进国民经济持续麓展羊¨保障国家宣全的瞌略性基础产业。正如Intel科学家Packan指也的那村，若继续拄腻Moore定律缩小芯片的R寸井同时提高其性能，则硅基芯片将程懈达到其热力学七}}限。30多年来，全球半导体产业的筮腱验证了这一预测．到2．000年，I¨砖I推出的Pent'ium4散处理器已经集成了4200万十品件管。随着．水片集成度的挝高，尽苻上作电压运渐降低．但芯片的能耗持续地增加，下幽培出了Intel公司提供的微处理器集成品体管数量在近三十年的增长趣势，囤1．1Inte

3、l微处理器集成品体管数盈增长趋势过去30年半导体丁业一育试图通过降低芯片的特征尺寸、提高芯片的集成度。随着芯片的葵成度的提高．尽管下作电压的运渐降低，但其能耗仍持续增加。到目前为止=，芯片的热谢密度已经高逃5x】o’W／m2左右“’．同飞行器逐同九气层高速气动加热形成的热源密度相当“‘。而微电于器什的性能和可靠性对温度十分敏感，当滴度在"70咖。C水平上每增加l。C．器件的性能和可靠性将下将5％“1。但要在毫米甚至微米量级的R寸上将这样高的热鼍带走具有报上的挑战性，这是周为Ⅲ：I)冷击

4、J空气的速率不能太高，以尽可能减少声学噪音；2

5、)器件寄!i构的紧凑性要求仅保留有限的片却流体J主闻：3)在模块上安装太容量搏沉(扩展表面)通常也是不允许的；4)低造价的原则要求尽可能地采用塑料封装芯片．而这X会增大芯片与模块表面阃地热阻．导致热量大量聚集在基底材料上。因此，儆电子器件的抟却问题早在80年代中期已成为国际微电子界平¨国际传热界的热点¨J。东南大学硬士学位论文降低芯片温度需要从多个方面考虑，贯穿从芯片到系统的各个层面。在芯片设计时就需要优化热量的分布，减少“热点”；在芯片封装时则需要在满足力学要求的前提下尽可能减少封装热阻，而在冷却装置的选用与配合上则要求严格控制外

6、部散热的外热阻。目前芯片常见的冷却主要有三个方面：1)芯片自身构造。在改造芯片结构方面，美国桑迪亚国立实验室进行了很好的尝试，他们根据制冷循环原理，研制出一种能够自动冷却计算机芯片。该芯片设计有独特的“散热管”，其工作原理是：细小的“散热管”分布于芯片内部，里面有专用的冷却剂，芯片开始工作后．如果局部囡电流通过温度升高。那么位于该区域的散热管内的冷却剂会很快蒸发，靠蒸发}许热将该区域的热量带到其他温度较低的区域；在温度较低区域，冷却剂被冷凝，并在原先区域的温度降低后再返同．这一蒸发、冷凝过程可循环进行，从而使芯片内部形成自动的温度调

7、节系统．该系统使芯片内部温度场非常均匀，芯片内部接点温度与芯片的表皮温度相当，这样就降低了芯片的接点温度，提高了表皮温度，进而增强了芯片与外界的传热，同时该方法也防止芯片因局部过热而将整快芯片烧毁。2)优化操作参数。为了减少芯片的散热负担．降低芯片的工作电压，从而降低芯片本身的产热量是一种有效的方法，这也是近几年高频芯片生产厂家在芯片设计时考虑的一个重要问题，目前高频芯片的工作电压一般在1．5～2．0V之间，这已接近芯片工作的极限电压。由于芯片工作特性的限制，留给该方法的余地已相当有限，未来的芯片散热还是要借助于各种外界的强制散热手

8、段：3)开发辅助散热设备。这是芯片冷却领域最原始的思想．英特尔的第一颗Pentium级处理器在出货时，就已经附有散热片．其目的就是为了借助散热片将芯片的热量散发出来。为了解决芯片的冷却问题，采用主动式冷却器被认为是解决这一问题的有效途径H'，J。主动式冷却器一般包括压缩制冷器和热电制冷器。压缩制冷器是最常见的主动式制冷方式，如家用冰箱、空调等。它是通过全氯氟烃(cFCs)、含氧氟烃(HCFCs)等工质的乐缩和膨胀达到制冷目的。但CFCs和HCFCs是众所周知的消耗臭氧层物质，对于环境具有很大的破坏性；而且压缩制冷器体积大．使用受到众

9、多的制约。热电制冷器被认为是CFCs制冷器的最有希望的替代产品poJ。其工作原理是在上述的风冷的基础上，在芯片的右侧加上了热电制冷器和吸热器，这样芯片中的温度控制可以轻易地通过调节热电制冷器而实现。从而实现了芯片散热问题从被动控制到主