来源 | Applied Thermal Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128568

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背景介绍

热电冷却器（TEC）作为固态冷却技术，具有无运动部件、集成灵活的特点，是现代电子热管理的重要方案。传统 TEC 集成系统依赖热界面材料（TIM） 连接芯片与 TEC 冷端、TEC 热端与散热结构，TIM 引入的寄生热阻会增大 TEC 冷热端温差，导致 TEC 效率（COP）和冷却能力下降；同时，高功率密度芯片下，TEC 热端积热会加速材料老化、引发层间剥离，进一步降低可靠性。现有研究（如空气冷却、液冷、微流道冷却）多聚焦单端热阻优化（如仅优化热端散热），未同时解决冷热端 TIM 带来的寄生热阻问题，无法全面释放 TEC 性能。

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成果掠影

近日，中国科学院大学朱航天联合西安交通大学张国和、焦斌斌团队，提出双嵌入式冷却模块（DECM）：将热电制冷片直接集成在芯片背面（芯片作为 TEC 冷端），并在热端基板嵌入微流道（冷却液体直接流动）；通过含温度传感器和加热功能的硅测试芯片评估，相比传统 TEC-MC 冷却模块（TMCM），DECM 实现制冷系数（COP）提升 33%、等效冷却条件下总热阻降低 61%、TEC 外额外热阻占比减少 47%，在等效热边界条件下冷却功率提升 66%（最大 44.5W）、温差提升 27.2%，同时消除 TIM 并规避 TEC 与硅芯片的异质集成难题，为高热流电子冷却提供可靠的 TEC 性能最大化方案。研究成果“Dual-embedded cooling for thermoelectric coolers in electronics thermal management”为题发表在《Applied Thermal Engineering》

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图文导读

图1.（a）双嵌入式冷却模块的示意图。（b）双嵌入式冷却模块和TEC-MC冷却模块的热阻网络分解。

图2. TMCM和DEMC模型的示意图（显示一对热电腿）。

图3. 制造（a）冷侧和（b）热侧的工艺流程。（c）DMCM组件的示意图，将冷侧和热侧与热电腿集成。

图 4.试验平台示意图。

图 5.（a）不同填充率的冷却模块中冷热端温差随冷却功率的变化。（b）冷却功率对无量纲指数τ的影响。

图7 .(a)在热端不同流速下，DECM中冷端温度的电流依赖性。（b）在TEC的最佳输入电流下，DECM中冷端温度随冷却功率的变化。（c）DECM和TMCM中电流依赖性芯片温度的比较（d）在最佳电流条件和100 mL/min的热端流速下，DECM和TMCM的芯片温度与功率的关系。

图9. (a)输入电流对模块总热阻的影响.（b）冷却功率对总热阻的影响.（c）总热阻的分解，无阴影柱代表DECM，对角阴影柱代表TMCM。所有实验均在100 mL/min的流速下进行。环境热阻评估DECM与四个先前关于传统芯片热管理方法的研究，这些方法将TEC与水冷却集成[27，34-36]。