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昆士兰科技大学陈志刚教授课题组《Mater. Sci. Eng. R》综述: 用于芯片上热管理的热电冷却器 - 材料、设计和优化

时间：2022-08-22 来源：浏览：

昆士兰科技大学陈志刚教授课题组《Mater. Sci. Eng. R》综述: 用于芯片上热管理的热电冷却器 - 材料、设计和优化

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#热电冷却器 1 个

#TEC 1 个

#主动冷却 1 个

#芯片 1 个

#热管理 2 个

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第一作者：陈文祎，史晓磊

通讯作者：陈志刚

通讯单位：昆士兰科技大学

研究背景

与传统的有源冷却方法相比，热电冷却器由于其可靠性、静音性、兼容性和可控性，更容易与电子产品集成，成为一种有效的热管理解决方案。考虑到电子产品中处理器和芯片的快速发展，这项工作全面回顾了最先进的片上热电冷却器的进展，并总结了相关的基础知识、材料、设计和系统逻辑。特别是，强调了具有自冷却设计和按需要求的片上热电冷却器。最后，指出了当前的挑战和未来改进片上热电冷却器的设计、性能和应用的机会。

综述简介

昆士兰科技大学陈志刚教授课题组 总结了近年来芯片上的先进热电冷却材料与器件的最新研究进展，相关成果发表于期刊 Materials Science & Engineering R (DOI: 10.1016/j.mser.2022.100700 ) 。随着高性能芯片的不断发展和对便携性的需求，对主动冷却尤其是 TEC 的需求具有巨大的潜力，因此，迫切需要及时回顾总结基于 TEC 的片上热管理的最新进展。为了实现这一目标，在这项工作中，重点回顾了芯片上 TEC 的基本原理、材料、设计、结构和系统，并提供了未来发展的挑战和展望。

要点 1 ：基于珀尔帖效应，热电冷却器（ TECs ）可以直接将电力转移成温度差（ ΔT ）。同时，由于没有活动部件、热响应快、安静、可靠和可扩展性等优点， TEC 适合长期运行，且需要的维护量较少。近年来， TEC 不断涌现，使 TEC 成为电子产品高性能热管理中最具潜力的候选者之一。对高性能个人电脑（ PC ）和轻量级笔记本的需求不断增加，推动了更强大的微型芯片的散热量，而芯片产生的热量也在逐年增加。在芯片的热管理中，热设计功率（ TDP ）理论表达了计算机芯片产生的需要被冷却系统处理的最大热量。目前，最新芯片的 TDP 已经达到 120W ，是 2017 年芯片的 3 倍。而目前的 TEC 的最佳 ΔT _max 已经可以达到 75K ，这足以满足芯片的热管理。此外，相反的塞贝克系数（ S ）也可以作为热电发电机（ TEG ）来收集废热，产生额外的电力用于支持 TEC 。因此，精心设计的 TEC-TEG 系统是冷却芯片热点的最有潜力的候选方案。

图 1 (a) 由 p 型和 n 型薄膜 TE 腿制造的经典热电薄膜。 (b) 说明了 TE 冷却器和芯片的封装过程。 (c) 带有 TE 冷却器的组装芯片封装图。 (d) 芯片封装的侧视图示意图，包括散热器、集成散热器（ IHS ）、热界面材料（ TIM ）、芯片模具、 TEC 和芯片衬底。 (e) 英特尔在过去五年中发布的芯片的 TDP 。 (f) 近年来报告的基于薄膜的 TECs 的最大冷却性能 ΔT _max 。

要点 2 ：采用有限元分析法设计 TEC

具有精确模型的 TEC 对于在芯片上呈现最佳冷却性能至关重要。现有的模型通常被分为简化的一维能量平衡模型和三维耦合的多物理场模型。简化的一维能量平衡模型被用于评估 TEC 设备冷侧的冷却通量。然而，当热梯度较大时，一维能量平衡模型不能提供准确的结果，因为该模型简化了珀尔帖、焦耳加热和傅里叶传热效应。因此，三维耦合多物理场模型可以描述热场和电场，以准确分析 TEC 装置。

图 2 (a) 基于简化的一维能量平衡模型的 TEC 脚的模拟热电路。 (b) 基于三维耦合多物理场模型的 p 型 TEC 脚的示意图。 (c) 双腿 TEC 的示意图，优化前的初始几何形状包含硅衬底（蓝色），底部金触点（黄色）， p 型半导体（绿色）， n 型半导体（红色），和顶部镍触点（灰色）。 (d) 在热电腿几何形状不变的情况下， R （蓝色）和 ΔT （红色）与 TCT 的函数关系。

要点 3 ：芯片上热电冷却的系统级优化

在将 TECs 集成到芯片上的过程中，应该考虑一些额外的设计因素，包括器件配置、寄生效应和工作条件。此外， TEC 和微芯片的适当集成设计可以最大限度地提高 TEC 在芯片上的冷却效率。然而，每个设计参数都会对 TEC 的冷却性能带来不同的影响。由于需要进行许多复杂的实验，每个设计参数的权衡相当耗时。因此，田口方法与灰色关系分析（ GRA ）被成功开发，以确定重要的设计参数并确定不同条件下的最佳设计参数组合。

图 3 芯片上 TEC 的系统级优化设计。

图 4 带有集成 TEC 的 3D 电子封装的（ a ）主视图和（ b ）侧视图的示意图。 (c) 在固定的加热功率下，陶瓷加热器上模拟和实验的最大温度变化与输入电流的函数比较。 (d) 每个设计因素对被动和主动冷却效果的贡献率。

要点 4 ：芯片上 TEC 的热管理

芯片的热管理主要考虑的是整个芯片封装的热阻以及芯片散失的热通量密度。主要的芯片封装可以分为两种类型，即二维（ 2D ）架构和三维（ 3D ）架构。二维架构的芯片封装被定义为在一个封装上并排连接硅芯片。在三维架构方面，两个或更多的芯片总是垂直堆叠，由于更高的带宽和低延迟的通信，可以有效地提高效率。然而，三维堆叠比二维封装具有更高的热阻，因为三维堆叠有额外的互连 / 下填充层和后端（ BEOL ）层。因此， 3D 堆栈的垂直模型可能导致封装内的温度升高。为了解决这个问题，应该开发一种理想的热管理方法，通过底部和顶部冷却堆栈，以产生双重冷却能力，但相应的设计非常复杂。

图 5 (a) 包含散热器、散热片、热界面材料（ TIM ）、热电冷却器（ TEC ）、芯片和衬底的二维电子封装示意图。 (b) 包含散热器、散热器、 TIM 、有效电阻层（ ERL ）、 TEC 、芯片和衬底的三维堆叠电子封装示意图。 (c) 电子封装的垂直截面 [ 左上 ] 、芯片的底面 [ 右上 ] 以及 TEC 的冷面和热面 [ 左下和右上 ] 的温度轮廓。 (d) 当通过 TEC 施加不同的电流振幅时，热点的温度差异随时间变化。 (e) 通过底部芯片的水平面的温度等值线图，显示通过 TEC 的 0 A[ 顶部 ] 和 1.75 A[ 底部 ] 的热点温度。 (f) 热点温度随 TEC 中的应用电流的变化。

要点 5 ：芯片上微型块体 TEC 的制造和性能

基于微体的 TEC 拥有传统的垂直夹层结构，但只有微米或纳米级的尺寸。与平面薄膜结构相比，垂直体结构具有较低的电阻，并且没有通过衬底的额外能量损失，但在微观尺寸上，热电腿和上层电极的粘合是困难的，这是制造微型块体 TEC 的主要挑战。然而，为了解决这个问题，已经开发了几种技术，包括倒装芯片技术、电镀、光刻、互补金属氧化物半导体（ CMOS ）和电化学沉积（ ECD ）。

图 6 (a) 集成四层微型块体 TEC 的制造过程示意图。 (b) TEC 装置顶部的相应 SEM 视图。 (c) 在室温 ~20℃ 下，电流范围为 5-140mA 时，两个腿对的实验和模拟净冷却温度。插图：应用电流为 70 mA 时的光学和热反射图像。 (d) SiNWs 的制造过程示意图。 (e) 相应的 SEM 图像。 (f) 不同长度的 SiNWs 的 ΔT _s 与工作电压的关系比较。

图 7 (a) 带 TEC 的 LED 的制造和封装过程示意图。 (b) 在输入电流为 1.0 和 2.0A 时， TEC 冷面的相应热红外图像。 (c) TEC 的冷面温度和电压作为输入电流的函数。 (d) TEC 开启和关闭时的芯片温度与输入电流的函数比较。

要点 6 ：芯片上薄膜 TEC 的制造和性能

基于薄膜的 TECs 被定义为具有平面辐射结构的 TECs 。与微型块体 TEC 相比，薄膜 TEC 的厚度较低，更容易与便携式电子产品集成。然而，基于薄膜的 TEC 通常面临着关于基材上的寄生热损失问题。因此，已经研究了几种方法来解决这个问题，其中包括消除支持基板或膜以避免寄生热损失，应用独特的 TEC 设计以最大化有效冷却面积比，以及优化 TEC 的厚度和材料以最大化冷却性能。

图 8 (a) TEC 的独立式平面设计示意图。 (b) 单级薄膜基 TEC 的 SEM 图像。 (c) 不同接触设计的 TEC 的稳态冷却性能与输入电流的关系比较。 (d) 在 PI 衬底上的 1 对 TEC 的示意图，厚度为 5.05μm 的 n 型和 5.45μm 的 p 型 TE 腿。 (e) 关于 TEC 的热通量分析和温度曲线的相应的具体图像。 (f) 不同比例的 TE 薄膜厚度下的冷热结点的温度变化比较。 (g) 新型平面辐射结构的 TEC 的示意图。 (h) 在输入电流 ~10 mA 时，带有 TEC 的芯片的相应热红外图像。 (i) 根据 TEC 的不同输入功率，芯片上热点的温度变化。。

要点 7 ：芯片上先进结构 TEC 的制造和性能

除了基于微型块体和薄膜的 TEC ，还有许多新颖的结构和设计随着 TEC 在热点管理上的兴起而发展起来，它们表现出额外的特性，如可伸展性和兼容性。

图 9 (a) 用于热点冷却的孔状硅基 TEC 的示意图。 (b) 在 100 ℃ 背景温度下，拥有不同宽度颈部的 TEC 的实验和模拟冷却性能比较。 (c) 在 100 °C 背景温度下，拥有不同深度沟槽的 TEC 的实验和模拟冷却性能的比较。 (d) 可拉伸热电装置的示意图。 (e) 制造的装置的相应照片。 (f) 在 0.8W 的恒定传导热负荷下，不同应变下的冷却性能的比较。 (g) 通过磁控溅射系统的薄膜 TEC 的制造过程示意图。 (h) 有和没有不同热电接口材料（铬和银）的最大温差的比较。 (i) 有无不同热电接口材料（铬和银）的最大冷却通量的比较。

要点 8 ：芯片上 TEC 的应用

随着芯片上 TEC 的快速发展， TEC 的应用逐渐被整合到电子产品中，包括智能手机、笔记本电脑，甚至智能家具和医疗应用。

图 10 (a) 阵列 TEC 覆盖在 CPU 表面的示意图。 (b) 4×4 阵列 TEC 的相应光学图像被放置在正常工作的 CPU 表面。 (c) 有无 TEC 的温度曲线和相应的热电电压与时间的关系比较。 (d) TPU 的有限元模拟模型示意图 (e) 安装在 TPU 顶部的超晶格 TEC 的特写示意图。 (f) 基于谷歌 TPU 芯片的平面图。 (g) 基线 TPU 芯片的热图。 (h) 安装了超晶格 TEC 的 TPU 模具的热图。

图 11 (a) 集成有 TEC 的 DRAM 的光学图像。 (b) 没有 TEC 和 (c) 有 TEC 的集成 DRAM 的模拟热曲线。 (d) TEC 冷却对提高可用带宽的影响。 (e) TEC 冷却对减少 DRAM 的平均响应延迟的影响。

要点 9 ：电脑热管理的系统和设计

随着芯片产生的功率密度的增加，复杂的物理散热解决方案的设计已经变得昂贵。因此，按需热管理系统已经被开发出来，通过系统监测和控制进一步优化冷却性能。按需系统可以应用 TEC 来缓解热点，并有效减少影响芯片工作频率的动态热管理（ DTM ）调用，以最大限度地提高片上冷却性能。

图 12 (a) SCOOL 设计的结构说明。左边：该设计被放置在基线系统的 CPU 散热器和散热器之间。中央。自上而下视角的 CPU 上有无 SCOOL 层。右图：运行 cactusADM 时，芯片上各功能单元的温度热图，中间电路块连接 TEG 和 TEC 。 (b) 有和没有 SCOOL 设计的芯片的温度分布比较。 (c) 有无 SCOOL 设计的各功能单元的温度比较。

图 13 (a) 计算机上的 5×5 热电阵列的说明，用于热管理。 (b) 热电模块作为热电发生器（ TEG ）和热电冷却器（ TEC ），覆盖在 15×15 平方毫米的芯片表面。在 (c) " 打开 " 和 (d) " 关闭 "TEC-TEGs 系统的情况下，芯片表面的温度轮廓。

要点 10 ：手机热管理的系统和设计

随着半导体的发展，智能手机的性能和速度得到了显著提高。与计算机类似，智能手机的高级功能需要更强大的芯片，具有更高的功率密度，这导致了更高的温度。然而，由于尺寸较小、功率密度较高、能量消耗有限（电池），智能手机的热管理比计算机更具挑战性。因此，按需冷却系统和自冷却设计的整合被认为是移动环境中最具潜力的可持续热管理。

图 14 (a) 附加层与 DTHER 安装在手机后壳和 PCB 之间的过程说明，以及相应的温度图。 (b) 附加层上 TECs 、 TEGs 和 MSCs 的位置及其相应结构图。有无 DTHER 的热点和冷点区域的温差：（ c ）后盖，（ d ）内部元件。

图 15 (a) 用于测量的移动芯片的平面图说明。 (b) 热分析期间不同时间点的芯片温度说明。 (c) 红外相机的温度和瞬态热学多物理场仿真模型的比较。 (d) 有和没有 TEC 的 core0 的温度比较。

小结与展望

时至今日，芯片上的热电冷却材料与器件的研究取得了令人瞩目的进展，然而目前其存在的挑战也比较严峻。其未来展望包括以下几个方面：

1.研究先进的TE材料以进一步提高热电性能。

2.增强制造工艺进一步降低芯片上TEC的制造成本。

3.探索和优化芯片上TECs相关系统和设计。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.mser.2022.100700

作者简介

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陈文祎（第一作者） 于 2020 年获得昆士兰大学硕士学位，并于 2021 年开始在昆士兰大学攻读博士学位，其主要的研究方向为以先进制冷应用为目标的热电材料和器件设计，导师为陈志刚教授及史晓磊博士。目前已发表学术论文 5 篇（第一作者 3 篇）。

史晓磊（共同第一作者） 澳大利亚昆士兰科技大学研究员，昆士兰大学荣誉研究员。于 2008 及 2011 年在北京科技大学分别取得材料学学士及硕士学位，于 2012-2015 年就职于清华大学摩擦学国家重点实验室深圳微纳研究室。 2015 年获得澳大利亚国际留学生全额奖学金（ IPRS ）开始在昆士兰大学攻读材料工程博士，为 2018 年度国家优秀自费留学生奖学金获得者，并于 2019 年获得博士学位。 2019 至 2021 年于南昆士兰大学进行博后工作。长期致力于高性能热电材料与器件的研究，目前作为主要负责人承担包括澳大利亚研究理事会等多个科研项目（ ARC Discovery Project 一项以及 Linkage Project 两项，总计约 190 万澳元）。共指导 4 名博士研究生和 9 名硕士研究生，其中已毕业硕士研究生 9 名。为全球 Top 2% 科学家（截至 2021 年 8 月， Elsevier BV ），共发表学术论文 132 篇（影响因子 10 以上 76 篇），中国发明专利 3 项，其中以第一及通讯作者身份在 Nat. Sustain. ， Chem. Rev. ， Prog. Mater. Sci. （ 3 篇）， Mat. Sci. Eng. R ， Energy Environ. Sci. ， Adv. Energy Mater. （ 5 篇）， Adv. Funct. Mater. （ 4 篇）， ACS Nano ， Nano Energy （ 4 篇）， Energy Storage Mater. ， Adv. Sci. ， InfoMat ， Chem. Eng. J. （ 3 篇）等高水平国际学术期刊上发表论文 54 篇， 14 篇被选为 ESI 高被引论文（前 1% ）， 1 篇被选为 Hot Paper （前 1‰ ）。这些论文被 Google Scholar 引用达 4900 余次， H-index 达到 37 （ i10-index 达到 86 ）。目前担任国际开源学术期刊 Micromachines （影响因子 3.523 ）热电材料与器件特刊编辑及十余个国际知名期刊的审稿人。

邹进教授 现任澳大利亚昆士兰大学的纳米科学讲席教授（ Chair in Nanoscience ），曾任澳大利亚电子显微学会秘书长。邹进教授目前的研究方向包括：半导体纳米结构（量子点，纳米线，纳米带，超簿纳米片）的形成机理及其物理性能的研究；先进功能纳米材料的形成及其高端应用，尤其在能源，环保和医疗中的应用；固体材料的界面研究。邹进教授在国际知名刊物发表学术论 850 多篇，并被引用 28,000 次。邹进教授目前承担多项澳大利亚研究理事会的研究课题。

陈志刚教授（通讯作者） ，澳大利亚昆士兰科技大学能源学科讲席教授（ Capacity Building Professor in Energy Materials ），昆士兰大学和南昆士兰大学荣誉教授。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究。博士毕业后前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，荣誉教授，后转入南昆士兰大学担任副教授（ 2016 ）和教授（ 2018 ）。目前是昆士兰科技大学能源学科讲席教授（ Capacity Building Professor in Energy Materials ， 2021 ）。先后主持共计二千万澳元的科研项目，共指导 17 名博士生和 15 名硕士研究生，其中已毕业博士生 9 名和硕士生 7 名。在 Nat. Energy 、 Nat. Nanotech. 、 Nat. Commun. 、 Chem. Rev. 、 Prog. Mater. Sci. 、 Adv. Mater. 、 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. In. Ed. 等国际学术期刊上发表 360 余篇学术论文 , 被 SCI 引用 22500 余次， H-index 达到 78 ，是科睿唯安 “ 高被引科学家 ” 。

澳大利亚昆士兰科技大学（世界 Top200 ）热电材料与器件课题组招收博士研究生

申报条件：

· 学科背景为材料科学，物理学，化学与化学工程；

· 目前已经取得和将要取得硕士学位且 GPA 5/7 ；

· 英语符合学校要求（ TOFEL iBT 79 ，写 21 ，说 18 ，听读 16 ；或 IELTS Academic 6.5 ；单项 6.0 ；

· 发表过至少一篇论文，热电材料、器件或应用方向的优先考虑。

研究方向：

· 高性能块体热电材料和器件；

· 柔性热电材料和器件；

· 热电材料和器件计算模拟，如 DFT 等。

奖学金种类：

· 项目经费直接支持的奖学金（ 5~6 个名额）；

· 国家公派奖学金 CSC ；

· 澳大利亚国家奖学金；

· 昆士兰科技大学奖学金。

学校简介：

澳大利亚昆士兰科技大学（简称 QUT ）是世界知名公立综合大学，位于澳大利亚第三大城市布里斯班，以 “ 现实世界的大学 ” 为办学特色，注重培养拥有国际化视野并注重培养切合社会发展需求的毕业生。目前共有在校学生约 5 万名，学校设有 Gardens Point 和 Kelvin Grove 两个校区。 QUT 在 2021 年《 QS 世界新兴大学排名》中居全球第 17 位， 2020 年《泰晤士高等教育世界大学综合排名》全球第 193 位。 QUT 有九大学科领域在 2021 年《 QS 世界大学学科排名》中位列世界前 100 名。 QUT 共计培养了八名罗德学者。罗德学者奖学金（也被称为 “ 本科生诺贝尔奖 ” ）是世界上最负盛名的奖学金项目之一，该奖学金已培养了 40 多位国家领导人、多位跨国企业董事长以及十多位诺贝尔奖得主。其主校区位于布里斯班市中心，布里斯班是澳大利亚第三大城市，也是昆士兰州的首府。这里气候宜人，居民热情好客，一年中逾 300 天阳光明媚，年平均气温 21°C 左右，被评为全球最宜居城市之一， QS 留学城市全球排名前 20 位，并将主办 2032 年夏季奥运会。

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