摘 要

随着半导体技术的发展，CPU上集成的晶体管数目已经达到几十亿甚至上百亿，时钟频率也往往超过3GHz，有的甚至可以达到5GHz以上。如此多的晶体管与如此高的频率带来了极大的发热量，热电制冷器（TEC）可以强化散热器性能，降低CPU表面温度，甚至可以达到室温以下。热电制冷器的性能与热电材料与热电制冷器的工作条件相关。在各项工作条件中，工作电流，冷端热负荷和热端散热强度三个参数最为重要。本文建立了热电强化风冷散热模型，研究了热电散热器工作特性；以CPU表面温度为参数，研究了热端散热强度，工作电流，工作热负荷对热电散热器性能的影响。研究表明，特定的热电散热器存在一个工作热负荷上限，在极限热负荷范围内，存在一个最佳工作电流，当工作电流大于或小于该值时，都会导致CPU稳态表面温度升高，而热端散热强度在一定范围内对CPU稳态表面温度有较大影响，但随着热端散热强度的提升，影响越来越小。

关键词：热电制冷，处理器，散热器，有限元分析

Abstract

With the development of semiconductor technology, the number of transistors integrated on the CPU has reached billions or even tens of billions, and the clock frequency often exceeds 3 GHz, and some may even reach more than 5 GHz. With so many transistors and such a high frequency bringing great heat generation, the thermoelectric cooler (TEC) can strengthen the performance of the heat sink, reduce the CPU surface temperature, and even reach below room temperature. The performance of thermoelectric coolers is related to the working conditions of thermoelectric materials and thermoelectric coolers. Among the various working conditions, the three parameters of working current, heat load at the cold end and heat dissipation intensity at the hot end are the most important. In this paper, a thermoelectric enhanced air-cooled heat dissipation model is established, and the working characteristics of the thermoelectric radiator are studied. Taking the surface temperature of the CPU as a parameter, the effects of the heat dissipation intensity of the hot end, the working current, and the working heat load on the performance of the thermoelectric radiator are studied. Research shows that there is an upper limit of working thermal load for a specific thermoelectric radiator. Within the limit of thermal load, there is an optimal operating current . When the operating current is greater than or less than this value, it will cause the steady-state surface temperature of the CPU to rise. And the heat dissipation intensity of the hot end has a greater impact on the steady-state surface temperature of the CPU within a certain range, but as the heat dissipation intensity of the hot end increases, the effect becomes smaller and smaller.

Key words: thermalelectric cooler, CPU, heat sink, finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 CPU散热技术研究概况 1

1.2.1 风冷散热器 2

1.2.2 热管散热器 2

1.2.3 水冷散热器 3

1.2.4 热电散热器 3

1.3 国内外研究现状 4

1.3.1 热电材料 4

1.3.2 热电制冷系统优化 5

1.3.3 热电制冷器的应用 5

1.4 本文的研究内容 5

第 2 章 7

2.1 热电制冷器的工作原理 7

2.1.1 帕尔贴效应 7

2.1.2 塞贝克效应 7

2.1.3 焦耳加热效应 8

2.1.4 热传导效应 8

2.2 热电制冷器的性能 8

2.3 FLoTHERM中的简化模型 9

2.4 散热器 10

2.5 TEC强化风冷散热器模型建立 12

2.6 网格划分与边界条件设定 13

第 3 章 仿真结果分析 15

3.1 温度云图 15

3.2 有效工作电流 16

3.3 有效热负荷 19

3.4 热端散热强度 20

3.5 制冷系数 21

第 4 章 结论 23

4.1 结论 23

4.2 存在的问题 23

4.3 展望 23

参考文献 25

致 谢 26

绪论

研究背景

摩尔定律有计算机第一定律之称，是由英特尔公司的联合创始人戈登摩尔提出的。1965年，戈登摩尔通过整理观察资料发现了一个趋势：新的芯片总体上包含其前代芯片两倍的晶体管数量，而且都是在前代芯片生产18-24个月后投入生产。由此他总结出了摩尔定律：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。在过去的五十年中，CPU技术的发展一直遵循着该定律：随着半导体技术的进步，CPU制程已经从最初的奔腾处理器的180nm进步到现在的酷睿处理器的14nm，而其它厂商，例如AMD已经将CPU制程工艺提升到7nm水平，单个CPU芯片上的晶体管数量从1985年的80386的27.5万个发展到现在的酷睿处理器的上百亿个；同时CPU的架构工艺也在持续进步，AMD的zen架构与intel的core架构的最新CPU的时钟频率相比早期产品都得到了极大提升，2000年的奔腾4频率仅为1.4Ghz左右，而最新的i9-10900k已经可以达到全核心睿频4.8GHz，单核心睿频5.3GHz。专业人士利用液氮制冷甚至可以将i9-10900k超频到7GHz左右。晶体管数量的增加和运行频率的升高导致CPU发热量急剧升高。数据表明，英特尔公司的消费级旗舰CPU-10900k瞬时功耗可达。统计数据显示，某些电子元器件的表面热流密度可达到,而高温不利于电子元器件工作的稳定性，研究表明，电子元器件工作时的核心温度每升高十度，其可靠性将会下降50%^[1]，对于以硅为原料的CPU，当表面温度超过100℃时，电脑很可能会死机，超过170℃，CPU将彻底损坏^[2]。大部分情况下，电子元器件的温度需要保持在95℃以下。所以传统的散热器与散热方式已经无法满足CPU散热的需求。热电制冷作为一种新的散热方式，对比传统散热方式具有明显优势，包括噪音低，寿命长，无制冷剂因而对环境无污染，冷端温度可精确调节等。Phelan等^[3]总结了当前的高功耗电子元器件的冷却技术，并展望未来的发展，发现只有热电制冷器有潜力商用应用。

CPU散热技术研究概况

热设计是为了减少热源和环境之间的热阻，尽可能快的将元器件产生的热量带到环境中，避免电子元器件的温度过高。目前主流的CPU散热方式包括风冷热沉散热，热管鳍片散热与水冷散热，但都存在着明显的缺点 。热电制冷器作为一种从原理上就与传统散热方式截然不同的新型散热器，与传统的制冷系统相比，具有诸多优势，可以作为未来高发热量CPU的散热方式。但热电制冷器同样存在一部分问题，在低冷端热负荷下，热电制冷器可将CPU表面温度降至室温甚至零摄氏度以下，因此可能导致和热电制冷器冷端接触的CPU芯片结露，产生短路的危险^{[4, 5]}，因此要研究热电制冷器合适的工作热负荷区间并优化热电制冷器的工作性能以避免结露。

风冷散热器

当前使用范围最广，市场占比最大的散热方式是风冷热沉散热器，CPU发出的热量传导至铜质或铝制散热器上，再通过风扇强制对流换热将热量带到环境中，实物如图一所示。通常可以通过改变散热器材料或增加散热器表面积或者改变散热器结构，例如fin的数量和厚度，来增强换热；另一方面可以通过增加风扇的风量来加速将散热器中的热量带到周围环境中，但风扇风量的增加会增大系统的噪音并减弱系统的稳定性。

图1.1 风冷散热器