半导体制冷片对电子元件降温效果的试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)驻南京地区电子设备军代室 作者:赵培聪

  就半导体制冷器对CPU等电子元件的降温效果进行了试验研究。通过模拟试验分别得到了CPU在传统风冷散热装置和接入半导体制冷片时的温度数据,并对比分析了CPU输入电压以及制冷片电压对降温效果的影响。结果显示,接入半导体制冷片后,CPU的工作温度大为降低,降温幅度达到15~25℃,可以很好地满足高频电子元件的温度要求;同时发现CPU的降温效果与制冷片电压并不成正比关系。

  关键词:半导体制冷;CPU;降温效果

  Abstract: The electronic components cooling effect by semiconductor refrigeration was tested by experiment in the study.The temperature data were obtained under the experimental condition of the air-cooled heat exchanger and semiconductor refrigeration.The influence of the voltage of CPU and refrigeration piece on cooling effect was also analyzed.The results showed that the semiconductor refrigeration made a CPU temperature decline of 15 to 25 degrees,which can meet the temperature requirements of high frequency electronics,and found that the CPU cooling effect and voltage of refrigeration piece is not relation of certain direct ratio.

  Keywords: semiconductor refrigerating;CPU;cooling effect

  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50℃以下,这样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。

  通过半导体制冷的冷却实验装置,对CPU 等电子元件的降温效果进行了研究,与传统的风冷热方式对比,半导体制冷对CPU 的降温效果明显,短时间内CPU 的温度可以降低到环境温度以下; 同时发现CPU 的降温效果与制冷片电压并不成正比关系,这主要受半导体制冷片热端散热效果的影响。因此,在实际应用中,应根据半导体制冷片的结构和使用环境以及被冷却器件的降温要求,对半导体制冷的冷却装置进行优化设计。

参考文献:
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  [4]程文龙,刘期聂,赵锐,等.喷雾冷却发热表面温度非均匀性实验研究[J].热科学与技术,2008,7(4):301-307.
  [5]Fok S C,Shen W,Tan F L.Cooling of portable hand-held electronic devices using phase change materials infinned heat sinks[J].Int.J.Thermal Sci.,2010,49:109-117.
  [6]程文龙,韦文静.高孔隙率泡沫金属相变材料储能、传热特性[J].太阳能学报,2007,28(7):739-744.
  [7]赵晓军,余莉.热管的电子设备冷却技术[J].世界科技研究与发展,2007,29(6):19-23.
  [8]姚志彪.半导体制冷装置的试验研究[J].流体机械,1996,24(12):48-52.
  [9]何燕,聂宏飞,张洪兴.半导体制冷研究概述[J].科技创新导报,2009,(24):53-54,56.

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