摘要：為解決智能手機(jī)使用的大功率芯片中非均勻分布熱點(diǎn)的散熱問題，本文采用手機(jī)芯片作為熱源，利用軟件使手機(jī)滿載工作以模擬實(shí)際的高溫場景，采用具有各向異性導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱層和用于小型散熱系統(tǒng)的熱沉以提高熱電制冷器的制冷效率，在此基礎(chǔ)上建立了制冷效率可控的熱管理系統(tǒng)。此外，為減少熱電制冷器熱端的熱量積累，設(shè)計了一種周期性電源控制器。結(jié)果表明: 熱管理系統(tǒng)將芯片溫度從 48 ℃ 降至 34 ℃ ，提高了約 20%的滿載芯片利用率，有效提升了手機(jī)流暢度，為解決非均勻分布熱點(diǎn)的散熱問題提供了指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：熱電制冷器; 芯片; 熱管理系統(tǒng); 導(dǎo)熱系數(shù)
隨著科技的發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧Ｈ欢吖β省⒏咚懔Φ男酒a(chǎn)生的非均勻分布熱點(diǎn)將導(dǎo)致電子器件的熱衰竭，并嚴(yán)重影響其效率、穩(wěn)定、安全運(yùn)行和使用壽命。
當(dāng)手機(jī)芯片滿負(fù)荷工作時，如果芯片的溫度不能有效降低，芯片就必須采取降頻策略來降低芯片的溫度，以防止芯片損壞。據(jù)報道，降低芯片頻率的策略會使手機(jī)運(yùn)行速度變慢約 3 倍。
為了調(diào)控芯片溫度，手機(jī)需要配套的制冷系統(tǒng)，且該制冷系統(tǒng)須滿足高集成度和高散熱量的特點(diǎn)。大多數(shù)手機(jī)散熱技術(shù)如石墨烯散熱技術(shù)、真空腔均熱板散熱技術(shù)(VC 液冷)，均為被動散熱技術(shù)。
石墨烯散熱技術(shù)是依靠石墨烯良好的導(dǎo)熱性將熱量及時導(dǎo)出。VC液冷是一個內(nèi)壁具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的真空腔體，通常由銅制成。當(dāng)熱量由熱源傳導(dǎo)至 VC 腔體時，腔體里的冷卻液受熱后開始產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，液體汽化吸熱，當(dāng)氣相接觸到較冷的區(qū)域時便會產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象，借由凝結(jié)釋放出之前吸收的熱量。凝結(jié)后的冷卻液會借由微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管道再回到蒸發(fā)熱源處，該過程將在腔體內(nèi)周而復(fù)始進(jìn)行。VC 液冷原理上類似于熱管，散熱效果提升有限，且散熱能力受環(huán)境溫度影響較大。
熱電制冷器( thermoelectric cooler，TEC) 是一種體積小、制冷量高的主動制冷器件，在手機(jī)制冷方面具有很高的應(yīng)用前景。
TEC 是一種主動制冷裝置，在電流的驅(qū)動下可以將熱量從制冷器的冷端傳遞至熱端。然而，隨著熱量在 TEC 熱端迅速積累，熱端溫度升高，TEC 的制冷效率將會下降。因此，在應(yīng)用 TEC 時，應(yīng)在其熱端增加散熱設(shè)計。
H. S. Huang 等采用循環(huán)水冷系統(tǒng)作為 TEC 熱端散熱裝置，該制冷系統(tǒng)比傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)的制冷效率更高。Wang Jing 等提出一種將 TEC 和電暈風(fēng)冷系統(tǒng)耦合的制冷裝置。S. Al-Shehri 等開發(fā)了一種應(yīng)用于計算機(jī)芯片的熱管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，TEC 熱端溫度由熱沉和風(fēng)扇的組合進(jìn)行調(diào)控。但該制冷系統(tǒng)體積較大，難以應(yīng)用于手機(jī)制冷系統(tǒng)。此外，在上述研究中，熱源均以恒定發(fā)熱體替代，且大多為溫度分布均勻的熱源。因此，有必要根據(jù)實(shí)際芯片的熱點(diǎn)分布設(shè)計熱電制冷系統(tǒng)。
通常，研究者使用 TEC 時，會將其冷端直接附著在熱源表面，這種直接連接的方式并不能充分發(fā)揮熱電制冷器的制冷效率，反而會增加設(shè)備的功耗。因此，設(shè)計熱源與冷端之間的導(dǎo)熱層是提高熱電制冷系統(tǒng)制冷效率的最有效途徑。利用 TEC 解決微芯片散熱問題的研究逐漸受到關(guān)注，但目前對于非均勻分布熱點(diǎn)問題的研究還很少。
微尺寸( 約 1 mm)的 TEC 雖然可以針對性地解決該問題，但其設(shè)計和制造過程較為復(fù)雜、造價十分昂貴，短期內(nèi)還不能用于手機(jī)芯片制冷。因此，本文將采用小尺寸( 12.1 mm×11.2 mm) TEC 構(gòu)建熱管理系統(tǒng)。
為增強(qiáng) TEC 在小空間中的制冷效果，本文基于有限元仿真，對熱電制冷系統(tǒng)中各向異性導(dǎo)熱層和熱端熱沉進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)仿真結(jié)果，建立了基于 TEC 的熱管理系統(tǒng)，并采用周期性供電系統(tǒng)來降低熱沉溫度和功耗。為了保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，以手機(jī)芯片作為熱源并搭建相應(yīng)的測試環(huán)境，采用開源程序使手機(jī)滿載運(yùn)行并實(shí)時監(jiān)控其芯片利用率。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 基于 Peltier 效應(yīng)的熱電制冷器
構(gòu)建了如圖 1 所示的芯片模型，該模型參考一般芯片的微結(jié)構(gòu)，由不同材料堆疊而成的多層組合。各層模型的尺寸如表 1 所示，模型中的所有材料參數(shù)均為實(shí)際材料的平均屬性，如表 2 所示。該模型用于研究芯片滿載時的溫度場。此外，還構(gòu)建了適用于該芯片模型的小型 TEC 模型，通過多物理場耦合和有限元數(shù)值分析的方法進(jìn)行實(shí)體建模和單因素分析，以指導(dǎo) TEC 在手機(jī)芯片制冷中的應(yīng)用。
表 1 芯片模型尺寸
表 2 模型材料參數(shù)
1.2 熱管理系統(tǒng)
手機(jī)滿負(fù)荷工作時，溫度迅速升高。為解決手機(jī)芯片散熱問題，設(shè)計了基于仿真結(jié)果的熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由 TEC、控制器、熱沉和電源組成。TEC 的冷端與芯片通過導(dǎo)熱層相連，熱端與銅制熱沉相連。電源和控制器為 TEC 提供可控能源。通過測量芯片的溫度及芯片利用率來檢驗(yàn)熱管理系統(tǒng)對手機(jī)芯片的散熱效果。
2 結(jié)果與討論
2.1 芯片溫度場
為研究芯片滿載時的溫度場分布，建立了芯片仿真模型。芯片的基板和填充物的網(wǎng)格尺寸為 0.5mm，其余結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸為 0.2 mm。在本仿真中，環(huán)境溫度設(shè)置為 25℃，對流傳熱系數(shù)設(shè)置為 300W/( m2·℃) ; 外部硅層 A 的光譜輻射力設(shè)置為 2.5W/mm3，外部硅層 B 的光譜輻射力設(shè)置為 0.05～3W/mm3，非均勻分布。TEC 模型及芯片模型溫度場如圖 2 所示。
圖 2 TEC 模型及芯片模型溫度場
由溫度場模擬結(jié)果( 圖 2( a) ) 可知，硅層的溫度最高，最高溫度達(dá)到 102.8℃，這將破壞手機(jī)的大部分電子器件。為降低芯片溫度，采用 TEC對芯片進(jìn)行制冷。基于現(xiàn)有工藝，設(shè)計了尺寸為12.1 mm×11.2 mm×1.95 mm 的塊狀熱電器件( 圖 2(b) ) 。由圖 2(c) 可知，當(dāng)環(huán)境溫度為 25℃ 時，TEC輸入電流設(shè)置為 300 mA，芯片的最高溫度降至 72.5℃，TEC 成功地將芯片的熱轉(zhuǎn)移至熱端。但如圖 2(c) 中截面圖所示，芯片溫度呈現(xiàn)非均勻分布，TEC 的冷端溫度也呈現(xiàn)相同的分布。因此，本文將探索一種解決非均勻分布熱點(diǎn)的方法，以提高制冷效率。
2.2 導(dǎo)熱層設(shè)計
上述結(jié)果表明，TEC 的引入降低了芯片的溫度，但還未能解決熱點(diǎn)分布不均勻的問題。為了提高制冷系統(tǒng)的效率并改善芯片溫度場分布，本文探索了導(dǎo)熱層的設(shè)計。添加導(dǎo)熱層后芯片模型的溫度場如圖3 所示。
圖 3 添加導(dǎo)熱層后芯片模型的溫度場
如圖 3(a) 所示，導(dǎo)熱層是一片厚度為 0.1mm，導(dǎo)熱系數(shù)為 1 W/(m·℃) 的薄片，導(dǎo)熱層的加入進(jìn)一步降低了芯片的溫度，但熱分布的均勻性并未得到很大的改善。因此，改變了導(dǎo)熱層的面外與面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，試圖影響熱傳導(dǎo)的過程，從而改善芯片的熱分布。
圖 3(b) 所示為面內(nèi)與面外導(dǎo)熱系數(shù)的比值對芯片溫度的影響。當(dāng)該比值大于 1 時，芯片溫度降幅較大，且在相同比例下，隨著面外導(dǎo)熱系數(shù)的增大，降溫幅度也在增大。當(dāng)面外導(dǎo)熱系數(shù)從 1 W/(m·℃) 增至 5 W/(m·℃) 時，芯片溫度顯著下降，但進(jìn)一步增加面外導(dǎo)熱系數(shù)并不會使芯片溫度發(fā)生太大變化。
當(dāng)數(shù)值超過 5 W/(m·℃) 時，面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的增加對制冷效果的影響比面外導(dǎo)熱系數(shù)更顯著。由圖 3(c) 可知，當(dāng)面外導(dǎo)熱系數(shù)為 60 W/(m·℃)時，芯片溫度隨面內(nèi)面外導(dǎo)熱系數(shù)比值的增加而降低。
此外，芯片的熱點(diǎn)集中在光譜輻射力數(shù)值較大的區(qū)域，熱點(diǎn)的尺寸隨著比值的增加而減小，特別是當(dāng)比值大于 1 時，溫度分布基本是均勻的，有效緩解了熱點(diǎn)分布不均勻的問題。提高導(dǎo)熱系數(shù)可使芯片溫度分布更均勻，有效緩解了分布式熱點(diǎn)問題，并使芯片溫度保持在較低的水平，且在實(shí)際應(yīng)用中，由于面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的增加對制冷效果的影響比面外導(dǎo)熱系數(shù)更顯著，應(yīng)重點(diǎn)尋找面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)大的導(dǎo)熱層材料。
2.3 熱沉設(shè)計
由 2.2 節(jié)的仿真結(jié)果可知，雖然芯片溫度降低了，但 TEC 的熱端溫度非常高( 約 100℃) ，這對 TEC是不利的，會降低 TEC 的效率。因此，設(shè)計了一種小尺寸的熱沉以降低熱端溫度。圖 4 所示為添加熱沉后的溫度分布，熱沉為導(dǎo)熱系數(shù)為 400 W/(m·℃) 的矩形塊體，此外，2.2 節(jié)設(shè)計的導(dǎo)熱層面外導(dǎo)熱系數(shù)為60 W/(m·℃) 、面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為 1800 W/(m·℃) 。
圖 4 帶 TEC、導(dǎo)熱層和熱沉模型溫度場
與圖 3 中的溫度場對比可知，增加了熱沉后 TEC 熱端溫度得到降低，芯片溫度隨熱端溫度的降低而進(jìn)一步降低。結(jié)果表明，熱沉對熱電制冷系統(tǒng)的制冷效果非常重要。為進(jìn)一步優(yōu)化制冷效果，對不同尺寸的熱沉進(jìn)行了研究。
圖 5 所示為改變熱沉厚度及其底面面積后芯片和熱沉溫度的變化，可知，溫度隨熱沉厚度和面積的增加而降低。考慮到熱管理系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)是小型電子設(shè)備，仿真中熱沉厚度的變化范圍較小。
圖 5 熱沉厚度和底面面積對制冷效果的影響
在相同底面面積下，熱沉厚度從 0.5 mm 增至1.5 mm，芯片溫度的下降不超過 1℃ ，熱沉溫度下降不超過 2℃ 。而在厚度相同的情況下，當(dāng)熱沉底面面積從 98 mm2 增至 1800 mm2 時，芯片溫度下降超過 18℃ ，熱沉溫度下降超過 45℃ 。結(jié)果表明，在小型電子設(shè)備中，增加熱沉面積可以進(jìn)一步提高TEC 的制冷效率。
2.4 熱管理系統(tǒng)的驗(yàn)證
基于仿真結(jié)果，設(shè)計了一種高效的 TEC，并應(yīng)用于熱管理系統(tǒng)以檢驗(yàn)熱管理系統(tǒng)的制冷效果。熱管理系統(tǒng)及測試系統(tǒng)如圖 6 所示，TEC 與仿真模型同尺寸，且擁有 65 對熱電對，最大制冷量為 6.3 W，相關(guān)參數(shù)如表 3 所示。在實(shí)驗(yàn)中，熱管理系統(tǒng)由帶有導(dǎo)熱層的 TEC、熱沉和控制器( Arduino UNO 開發(fā)板及其外圍電路) 組成。
圖 6 熱管理系統(tǒng)及測試系統(tǒng)
表 3 TEC 參數(shù)
注: I 為輸入電流; V 為輸入電壓; Th 為熱端溫度; ΔT 為TEC 冷熱端溫差; Qc 為制冷量。
TEC 的冷端以導(dǎo)熱硅膠與導(dǎo)熱層連接，再貼合在手機(jī)芯片上，最后，將熱沉附在 TEC的熱側(cè)。導(dǎo)熱層采用石墨烯復(fù)合膜，該產(chǎn)品具有膠面，便于直接貼附在手機(jī)芯片表面并且可以起到連接TEC 的作用; 根據(jù)出廠參數(shù)可知，導(dǎo)熱層面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為 1500 W/(m·℃)，面外導(dǎo)熱系數(shù)為 60 W/(m·℃) 。
此外，熱沉采用邊長為 45 mm 的矩形薄銅片。控制器用于調(diào)節(jié) TEC 的工作狀態(tài)。在測試系統(tǒng)中，采用直流穩(wěn)壓電源為控制器供電，采用多路溫度計監(jiān)控芯片和熱沉的溫度。
在測試中，利用應(yīng)用程序使芯片滿負(fù)荷工作，并通過 TEC 系統(tǒng)調(diào)控芯片的溫度。由于芯片的自主保護(hù)策略，芯片的利用率在較高的溫度下會受到限制以防止芯片熱衰竭，隨著芯片溫度的下降限制將逐漸解除。此外，對采用被動散熱的芯片進(jìn)行了溫度測量。測試結(jié)果如圖 7 所示。
圖 7 實(shí)測結(jié)果
由圖 7(a) 可知，被動散熱的芯片保持在約 40℃。當(dāng)使用 TEC 時，芯片溫度隨著電流的增加而迅速下降，當(dāng) TEC 通入的電流達(dá)到 300 mA 時，芯片溫度降至 30℃。但隨著時間的推移，芯片的溫度逐漸升高。
此外，如圖 7(c) 中紫色線條結(jié)果所示，熱沉的溫度急劇上升，這表明熱沉在快速積累熱量，即 TEC 熱端溫度快速上升，導(dǎo)致制冷效率的下降和芯片溫度的上升。為了解決熱積累問題，為 TEC 設(shè)計了周期性的供電策略，測量芯片和熱沉在不同占空比下的溫度。如圖 7(b) 所示，芯片的溫度迅速下降，然后在一個小范圍內(nèi)波動。
隨著供電周期占空比的減小，芯片溫度在達(dá)到最低溫度后趨于穩(wěn)定。但當(dāng)占空比小于 50% 時，芯片溫度超過 38℃，散熱效率較差。如圖 7(c) 所示，在 TEC 不工作的情況下，熱沉溫度為 36.9℃。在 TEC 開始工作后，熱沉溫度迅速上升，導(dǎo)致 TEC 冷卻效果逐漸下降，芯片溫度升高。溫升速率隨占空比的減小而減小，說明減小占空比可以優(yōu)化 TEC 的應(yīng)用效果。由于手機(jī)是手持設(shè)備，熱沉的溫度需要控制到一定程度，否則會影響使用體驗(yàn)。
通過手機(jī)應(yīng)用監(jiān)控芯片利用率，結(jié)果如圖 7(d)所示。在連續(xù)輸入 300 mA 電流的情況下，芯片的利用率先快速增加后持續(xù)下降。而采用周期性供電策略時，雖然降低了芯片的最大利用率，但提高了芯片的穩(wěn)定性。
此外，綜合考慮散熱效果和熱沉的溫度，采用占空比為 75%的周期電源是制冷效果最為良好且穩(wěn)定的策略。結(jié)果表明，采用基于 TEC 的熱管理系統(tǒng)降低了芯片溫度，提高了芯片利用率，提高了手機(jī)的流暢性。
TEC 是一種主動制冷裝置，通過調(diào)控輸入電流，制冷量會隨之改變，為精確調(diào)控目標(biāo)溫度奠定了基礎(chǔ)。本文中采用的器件，其制冷量可達(dá)到 6.3 W，是被動制冷無法企及的。但在帶來可觀制冷量的同時，該器件需要通入 1.2 A、9.6 V 的直流電流，這對于小型移動設(shè)備是較大的負(fù)荷，因此，采用周期性供電策略，一方面減少了 TEC 熱端熱量的積累，另一方面減少了約 25%電功耗。
3 結(jié)論
本文通過有限元分析方法討論了導(dǎo)熱層和熱沉對 TEC 制冷效率的影響，基于仿真設(shè)計開發(fā)了用于手機(jī)芯片的熱電型熱管理系統(tǒng)，得到如下結(jié)論:
1) 在 TEC 與熱點(diǎn)的接觸面中添加導(dǎo)熱層可以降低芯片溫度，且導(dǎo)熱層的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)越大，芯片的溫度分布越均勻。
2) 在 TEC 熱端添加熱沉可以有效降低 TEC 熱端的溫度，從而提高 TEC 的制冷效果; 熱沉面積越大，制冷效果提升越大，但在 0.5～1.5 mm 范圍內(nèi)熱沉厚度的變化對制冷效果影響較小。
3) 室溫條件下，使用周期性供電策略，可以在不降低 TEC 響應(yīng)速率的前提下有效降低 TEC 熱端的熱積累速率。
4) 該熱管理系統(tǒng)能使手機(jī)芯片的溫度降至 34℃，成功解決了手機(jī)芯片的散熱問題。與傳統(tǒng)的手機(jī)散熱方案相比，基于 TEC 的熱管理系統(tǒng)散熱效率高，可控性好，還可以用于解決各種小芯片散熱問題。
TEC 是一種無活動性部件、體積小的主動制冷裝置，為高度集成提供了可能性。另一方面，TEC 制冷量十分可觀，但對于手機(jī)這類需要不斷充電的移動設(shè)備，TEC制冷功耗較大，在今后的工作中需要深入探索，進(jìn)一步優(yōu)化制冷系統(tǒng)的能耗，在能耗和高效制冷之間尋求最佳平衡。
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