CPU芯片热电冷却系统传热过程仿真与优化

沈佳楚

【摘要】本文针对热电制冷机理及其用于电子元器件热管理，从实验研究和数值模拟两个方面着手，对目前热电制冷技术用于芯片冷却的国内外研究进展进行了详细的报道，并对今后电子元器件应用热电制冷技术进行散热提出了一些建议。在本文中模拟了一种风冷式热电制冷器，分析出稳态下，电流参数的改变，对CPU的表面温度以及TEC的制冷系数的影响，目的是优化热电制冷器的运行和结构参数。

【关键词】热电制冷；数值模拟；CPU冷却；优化设计

中图分类号：TK12

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2015）04-092-02

随着电子元器件封装集成度的迅速提高而使得体积的不断缩小，以及其性能和速度的不断提高，芯片的能耗和发热量也随着不断增大。因此这对高性能冷却技术提出了迫切要求，也体现了热电冷却CPU实际应用的广阔市场空间。热电制冷作为一种新型的制冷技术，具有无需制冷剂和机械部件、轻便、无噪音、能实现温度精确控制等优点，特别适合应用于电子元器件的冷却散热。国内外学者己从各个不同角度出發，对热电制冷理论进行了研究，并取得了一系列有意义的成果。而ANSYS有限元分析软件是一个融结构、热、流体、电磁、声学等分析为一体的大型、通用的有限元软件。

热电制冷作为一种新型的制冷技术，具有无需制冷剂和机械部件、轻便、无噪音、能实现温度精确控制等优点，特别适合应用于电子元器件的冷却散热。国内外学者己从各个不同角度出发，对热电制冷理论进行了研究，并取得了一系列有意义的成果。本文针对热电制冷机理及其用于电子元器件热管理，从实验研究和数值模拟两个方面，对目前热电制冷技术用于芯片冷却的国内外研究进展进行了详细的报道；并对今后电子元器件应用热电制冷技术进行散热提出了一些建议。

一、实验件介绍

本次模拟实验选用的CPU芯片为AMD速龙64×25200+，散热器选用6063T5铝合金，实验所选择的导热硅脂的导热系数是4.OW/mK，抗电压击穿值在4000伏以上，本身具有一定的柔韧性，很好的贴合功率器件与散热铝片或机器外壳间的从而达到最好的导热及散热目的，符合目前电子行业对导热材料的要求。

二、模型建立

为了简单起见，模拟的热电制冷器模型做了如下假设：

1.热电对的两臂具有相同的热导率，相同的电阻率，大小相等符号相反的温差电动势率，两臂的截面积和长度也相等；2.热电臂的导热只沿长度方向，横向不考虑热传导及热损失；3.忽略陶瓷片，金属连接片及热电臂冷热端接触热阻的影响；4.忽略汤姆逊效应的影响；5.忽略热电模块热端与散热器的接触热阻，冷端与导热铝块之间的接触热阻的影响；6.计算区域六面体的每个面都设置为开口，即整个风冷模型与大气相通。

三、数值模拟分析

（一）建模

首先定义单元属性。根据第二章中建立的模型的形状、尺寸、载荷的形式综合考虑，选择SOLID70单元类型进行热分析，以得到相应的稳态温度场。实常数在这里不需定义，材料属性则根据第二章所给的各种材料，分别定义各材料的稳态导热系数。

然后导入几何模型。由于在ANSYS里面建立几何模型相对麻烦，本次模拟是通过UG来建模，然后导入ANSYS里面。

最后是进行网格划分，除了散热翅片采用自由划分外，其它部件采用面划分映射网格。对于给面划分网格时，面需要满足的条件有：此面必须由3或4条线围成，在对便上必须由相等的单元划分数；或者可以采用拾取一个面的3或4个角点来进行面映射网格划分。

（二）加载计算

这里给出简化模型后所需要的参数计算公式：

热电材料的塞贝克常数：

对流换热系数：h-40W/m2/K（热沉），h-lOW/m2/K（其它）

环境温度：300K

经过计算，得出本次模拟需要加载的参数如表1所示。

（三）求解

对于稳态热分析，可以使用POST1进行后处理。下面给出输入电流I-2A下的模拟结果，如图1所示。

四、数据处理与分析

本次基于所选模型（T1278的TEC制冷片应用于型号为AMD速龙64×25200+的CPU芯片）的数值模拟，其结果在表2中给出。由表可得，随着通过TEC的电流值的增加，TEC的致冷能力增强，使得CPU能被充分冷却。在考虑到CPU的最佳运行温度、TEC的经济性能或COP、结露等因素，可以得出输给TEC电流值范围在1.8A-2.4A内较合适。

五、结论

半导体致冷应用于电脑芯片的冷却，会使计算机运行性能得到很大的提高。在考虑经济性和实用性的方面，对于不同功率下的芯片进行数值模拟分析，以求得效益最大的制冷片TEC-CPU组合对。本次模拟在给定的模型中，得出了型号为T1278的TEC制冷片应用于型号为AMD速龙64×25200+的CPU芯片中，能效比和经济性最优的电流值是在1.8A-2.4A的范围内。

参考文献：

[1]王长宏，朱冬生.电子封装热管理的热电冷却技术研究进展[J].电子元件与材料，2008，27（11）： 4-7.

[2]李庆友，王文，周根明.电子元器件散热方法研究[J].电子器件，2005，28（4）：937-941.

[3]RUTENBAT R A，GIELEN， ROYCHOWDHURY J.Hierach-ical modeling，optimization，and synthesis for system-level analog andRF designs[J]. Proc IEEE， 2007， 95（3）：640-669.

[4]RIFFAT S B，MA X L Thermoelectrics：a review of present andpotential applications[J]. Appl Therm Eng， 2003， 23（8）：913-935.