半导体制冷技术的应用半导体制冷技术的应用背景和应用范围介绍

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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半导体制冷技术的应用背景和应用范围介绍

科技的发展也加重了对现在环境的负担，不注重环境保护的科技也无法长久的使用，从环境保护的角度来看，半导体制冷技术的研究是现有环境下的大势所趋。

近年来，随着环境恶化日益加剧，人们越来越重视对环境的保护，在《京都议定书》和《联合国气候变化框架公约》的基础上，减少温室气体排放、减缓全球变暖成为一种必然趋势.传统的压缩机制冷对大气臭氧层的破坏性影响和温室效应越来越受到人们的关注，而半导体制冷因其无制冷剂、对环境无害的特点成为研究热点。

上个世纪初，人们做了很多电磁的实验，发现了金属材料的热电效应，但是由于这些金属材料的热电性能比较差，所以效率是非常低的。直到本世纪50年代之后，半导体材料发展迅速，所以致使热电效率也大幅的增加，从而使热电制冷也开始发展。由于半导体材料具有非常好的热电能量转换性质，将它的这一性质在热电制冷中得到了应用，所以把热电制冷叫做半导体制冷;同时又由于帕尔帖效应与温差发电对应，所以又叫做温差电制冷。这种比较新型的制冷技术与传统的制冷技术不同，没有制冷剂和一些制冷设备，从而在一些特殊的领域中将得到十分广阔的前景。

虽然半导体制冷技术近年来发展迅速，但仍然存在着制冷效率低、单位制冷量成本高和加工工艺复杂等缺点，在很大程度上限制了该技术的发展和应用.因此，加快对半导体制冷技术尤其是制冷系数(cofficient of performance，COP)方面的研究，对于推广其应用范围有着重大意义.目前国内外对半导体制冷技术的研究主要集中在3个方面：热电材料、结构设计和冷热端散热方式.

通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有:制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面:

1、军事半导体制冷片方面:导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导航系统。

2、医疗方面;冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。

3、实验室装置方面:冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4、专用装置方面:石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5、日常生活方面:空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用。

技术的研究和应用是互相推进的，半导体智能技术的实际应用范围推广也需要技术研究的提升作为发展保障。

“半导体制冷”能带来PC散热的革命吗？

风冷以及水冷，都是大家比较熟悉的散热模式了。其实大家平时使用的一体式水冷，其部分原理仍旧属于“风冷”的范畴，不过是散热器的导热介质由热管的“蒸发-凝结”自动循环原理，替换为依靠由水泵电机主动循环带动的液体传导，最终所有的热量还是通过风扇的转动，形成强制对流，将鳍片（风冷）或冷排（水冷）的热量传递到环境中帮助芯片降温。因此，风冷与水冷散热器都属于“被动”的散热的形式，因为芯片的高温与环境的低温所产生的温差范围，决定了传统散热器作为"热量的搬运工"，最多只能将芯片的温度降低至接近环境温度。

随着人类对于芯片计算能力的不断追求，越来越多的晶体管被塞入了计算芯片，每一个计算单元的密度都在不断提高，同时更高的频率也带给芯片更高的工作电压与功耗。可以预见的是，未来数年我们都还将继续追求提升芯片的计算性能，那么也意味着我们也需要不断的持续攻克芯片温度的散热问题。仅仅依靠现有的“被动散热”已经有些力不从心，是否需要一种“主动制冷”的新模式出现？

其实关于处理器的散热模式，一直并不局限于常见的风冷/水冷。为了解决温度问题，实现某些极端的目标（比如极限超频），极客们不断的尝试油冷，压缩机制冷，液氮，干冰等降温方法 。曾经最接近零售市场使用的OCZ CRYO-Z系列压缩机能够通过相变制冷可以使蒸发器温度达到-45℃，甚至有国外发烧友通过自制三级压缩机系统，将温度降至了-196℃，已相当于液氮的蒸发温度。但是由于高昂的成本与复杂的使用方式，压缩机系统是不可能普至到家庭使用。液氮，干冰就更是仅针对极限超频这一特定目标的特殊手段而已，蒸发/升华速度非常快，只能带来短时间的极限效能，这些方式并不具备充分的可控性与可复制性。

那么有没有一种看上去可控性高，使用简易，成本低廉的散热方式，来解决现有处理芯片的高温问题呢？答案可能还是有的，那就是利用热电效应原理的的半导体制冷技术。 随着今年11月Intel Cryo相关项目的公布，接下也会有采用热电制冷的民用级散热器出现在DIY市场中，我们今天就来聊聊有关半导体制冷那些事。

什么是半导体制冷？

要了解半导体制冷这一具体到终端的技术应用，我们需要先了解的一个有关电与热的基础原理：热电效应（ Thermoelectric effect） 。

图片来源：《理化检验-物理分册-热电材料的应用、研发及性能测试进展》李蒙等著

热电效应是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度，冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压，热电装置让温度控制变得非常的容易。

热电效应并非是一个独立存在的术语，这个理论包含了三个分别经定义过的效应，分别是：塞贝克效应（Seebeck effect，1821年），帕尔贴效应（Peltier effect，1834年）与汤姆森效应（Thomson effect，1854年）

塞贝克效应（Seebeck effect）

1821年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：

ES=S.△T

式中：ES为温差电动势，S为温差电动势率（塞贝克系数），△T为接点之间的温差

帕尔贴效应（Peltier effect）

1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。

Qл=л.Iл=aTc

式中：Qπ为放热或吸热功率 π为比例系数，称为珀尔帖系数，I为工作电流，a为温差电动势率，Tc为冷接点温度

汤姆森效应（Thomson effect）

英国物理学家威廉·汤姆森于1854年发现，当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：

Qτ=τ.I.△T

式中：Qτ为放热或吸热功率，τ为汤姆逊系数，I为工作电流，△T为温度梯度

通俗的讲就是，第一，热量能够产生电；第二，电也能让导体产生温差；第三，电流在温差不均匀导体中流过时，还会吸收并释放一定的热量，形成高温放热与低温吸热的状态。那么我们通过对导体成分的变化以及对电流的控制，便能够形成各种可控的具体应用，比如热能（温差）发电： 可运用于军事，航天，民用能源等各种领域；热电（温差电）制冷： 与温差发电相反，将电能转化为热能，制造出温差电制冷机，由于这种类型的只能装置无需压缩机，也无需氟利昂等制冷剂，而且具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等优点。此外，热电冷却不需要像机械制冷那样不断填充化学消耗品，没有活动部件，也就没有磨损，维护成本很低，同样适用于军事，航天，工业及民用制冷需求。我们今天重点要聊的“半导体制冷片”，便是热电效应在制冷应用中的一种具体装置形式。

什么是半导体制冷片（ThermoElectric Cooling）？

刚才讲到的帕尔帖效应（Peltier effect）自发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱，无法应用于实际。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件：热电致冷器（ThermoElectric Cooling，简称TEC）。

与传统的风冷和水冷相比，半导体制冷片具有以下优势：1. 可以把温度降至室温以下；2. 精确温控（使用闭环温控电路，精度可达±0.1℃）；3. 高可靠性（制冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低）；4. 没有工作噪音。

图片来源：《热管散热型半导体冷箱的理论分析及实验研究》曹志高 2010

在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。帕尔帖模块也称作热泵（heatpumps），它既可以用于致热，也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具，只要热端（被冷却物体）的温度高于某温度，半导体制冷器便开始发挥作用，使得冷热两端的温度逐渐均衡，从而起到致冷作用。能够运用与PC散热器的半导体制冷片（TEC），便是这样的原理。TEC散热片的吸热（冷）端贴近发热的CPU，给CPU降温，TEC另外一面进行放热，其具备无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，制冷速度极快，易于进行温差冷量可控调节。

听起来很适合PC芯片这种功耗波动较大的发热体，而且并不是新的技术，为什么以前厂商并没有深入尝试将TEC制冷应用于PC散热领域呢？

TEC半导体制冷应用于PC散热的难点

能耗较高

对普通家用PC来说，使用TEC散热器的能耗比过低。目前半导体制冷系数较小，制冷时消耗的能量远大于制冷量。比如EK目前公布的EK-QuantumX Delta TEC水冷头满负荷工况功耗为200W，甚至某些情况下超过了它的服务对象CPU。我们的电脑10年主流电源功率为300W，5年前约为400W，如今也不过500W左右，并没有足够多的盈余的功率空间留给TEC制冷设备使用。所以除了少部分拥有大功率电源的高端台式机（额定750W以上），TEC散热器现阶段还无法成为主流的PC散热解决方案。

大功率TEC无法独立工作

TEC制冷片在工作时，冷端制冷的同时需要在热端进行有效的散热，需要散去的热量包含帕尔贴效应释放的热量和制冷片本身的焦耳热。也就是说，TEC制冷装置若要进行大功率制冷输出给CPU散热的同时，自身也需要被持续散热，应用在PC领域的话，就是还需要叠加较高性能的水冷来进行TEC制冷片的散热。所以无论是EK-QuantumX Delta TEC还是酷冷至尊ML360 Sub-Zero，最终呈现的TEC产品均为水冷+TEC制冷装置融合 的产物。

对于压制高功耗CPU的散热性能领先幅度存疑

按照目前厂商已公布的数据，EK TEC结合分体式水冷的情况下，最多压制338W的CPU，酷冷TEC在结合360一体式水冷的情况下，可压制最大功率为250W的CPU，对比传统的高性能360水冷散热器，在面对全核满载的高功耗处理器的情况下，领先幅度可能没有想象的大。

工作温差较大易导致主板元器件结露损坏

空气中的水分在面对TEC制造的较大温差环境，在低于室温的部件位置容易形成结露，需要在处理器周围设计一定的密封环境，避免结露风险。

需要软硬件精密无缝配合

CPU运行过程中，频率与功耗波动较大，需要制冷片的能够灵敏的针对CPU功耗、温度进行实时调节，而不是简单粗暴的“全功率制冷-暂停制冷”模式循环。如果要让TEC变得智能好用，就需要软硬件结合的控制系统，从频率，温度，湿度，功耗，电压全方位的进行接管监测。Intel Cryo项目的成立，进行各种软硬件通用标准的建立，就是为了让这一套完整的TEC制冷方式能够实现民用化。

成本较高

目前应用于PC领域的TEC半导体散热器，已知的酷冷至尊ML360 Sub-Zero零售价为2999元人民币，EK-QuantumX Delta TEC仅分体式水冷头约合2350元人民币（还需购买冷排水泵等其他部件自行组建），在没有足够量产的情况下，加之新品新技术溢价，成本一定非常高昂，售价比常规360一体式水冷高出2~3倍。至少在TEC类型散热器的产品生命周期前端，并不会进入寻常家庭被普遍使用。

TEC半导体制冷应用于PC的优点

制冷温度可以低于环境温度甚至低于0度

TEC散热器能够产生足够大的温差，只要功率足够，从+90℃到-130℃都可以实现。当CPU功耗处于某个较低的功耗区间时，TEC能让其内核的温度低于环境温度。注意，这种低于环境温度的情形，并非任何时候民用低功率TEC散热器都能达成，仅能在CPU低功耗运行的过程中能够产生低温。

TEC具备的大温差制冷特性，能更好解决晶体管密集的工艺下的发热问题

随着工艺制程的提升，晶体管密度增加，CPU的核心的封装DIE面积越来越小，根据热力学原理，导热面积越小的情况下，需要更大的温差来维持热传导性能，温差较小的传统散热形式无法解决这个问题。即便CPU功耗并不高，但仍然会严重积热（热量出口面积不够），导致频率上限过低。但CPU的发展之路注定了晶体管密度还将继续提升。TEC天然具备较大的温差属性（吸热端温度可轻松做到-20℃），可能是解决小面积高热量传导的最佳方案。

TEC散热器更符合CPU矽晶在工作时的频率/功耗/电压/温度四者关系特性

CPU内核温度越低，就能在同功耗甚至更低的功耗下，达到更高的频率，可简单理解为CPU都是低温高能，高温低能的产品。 平时大家无法体会到这个特性，是因为性能最强的风冷和水冷都无法做到让处理器低于室温，使其内核稳定的停留在到0℃~20℃的稳定温度区间。打个比方（非准确数值，只用于概念表达），假如让一颗CPU的某一个核心运行在5.5GHz的超高频，在TEC的压制下，可以将其控制在50℃，50W功耗，1.3V电压；如果没有TEC的大温差制冷，这个核心温度会急剧提升至90度以上，在高温下要维持内核的高频，电压会提升至1.45V，单核功耗提升至80W，最终导致CPU无法稳定高频运行。用TEC散热器，就相当于开启了一个特别定制的CPU舒适温区，让部分核心去冲击在传统散热条件下无法达成的高频率。

提升普通应用的处理器性能

并非所有程序都能够很好的利用主机的多核心资源，我们日常办公，游戏等应用仍然更需要强劲的单核心性能而非多核低频，因此TEC散热器能够帮助用户便利的达到符合实际应用需求的更高频率，即便是核心不那么多，也能带来更好的实际性能。这也是类似于Intel i5 9600K，Intel i5 10600K这类少核高频处理器存在的意义。

可精确智能控制，可批量生产，可控体积的另类超频工具

TEC散热器，正因为更符合CPU内核“低温高能，高温低能”的工作特性，同时具备可量产，可精确智能调节的属性，就能够在某些特定目标下替代不可控且繁琐的液氮超频，成为新概念的超频工具。

TEC半导体制冷应用于PC领域的前景

TEC半导体制冷并非全新技术，这是一位理论概念已存在了100多年，且实际应用于工业，航天，军事领域已经几十年的老朋友。从概念上来说，TEC半导体制冷散热器所具备的优势特性，的确能够与PC主机硬件有一个好的结合。假如未来量产后的成本能够大幅度降低，将这个目前看上去挺神秘的“黑科技”下放到常规的240水冷并适当提升售价，对终端用户来说，将不仅仅是得到了一个散热器，它还是一个够发挥自己独特属性，帮用户提升额外性能的工具。对于这样的“外挂”，我们没理由不期待！