交流电模式下热电瞬态冷却消除芯片热点的理论与数值研究

为解决现代微电子器件中高频热点导致的芯片热管理难题，研究人员通过理论建模与有限元模拟相结合的方法，系统研究了交流电(AC)模式下μ-TECs（微型热电制冷器）的瞬态冷却行为。研究发现，通过优化交流电幅值和相位匹配，结合高导热材料与低界面接触电阻，可显著降低热点峰值温度（3.29 K）和温度波动（从65.62 K降至20.66 K），为芯片级瞬态热管理提供了新策略。

　　

随着人工智能技术的爆发式发展，芯片的集成度和功率密度呈现指数级增长，逻辑单元产生的瞬态热流密度可达6.37 kW/cm²
，是平均热流的6-10倍。这种时空非均匀性导致芯片表面形成局部热点，引发高达65.62 K的温度波动，不仅影响性能更会加速热失效。传统直流电(DC)驱动的热电制冷器(TEC)因稳态冷却功率密度有限(～10 W/cm²
)，难以应对此类超高热流；而脉冲冷却虽能短期抑制温升，但存在焦耳热累积导致的温度反弹问题。

中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队在《Materials Today Physics》发表论文，创新性地提出交流电(AC)驱动模式的热电瞬态冷却策略。通过建立包含二阶谐波分量的理论模型，结合有限元仿真，系统研究了硅基μ-TECs在AC模式下的热输运行为。研究发现：当AC电流相位与热流方向匹配时，Peltier效应与傅里叶热传导协同作用，使热点温度波动降低44.96 K；引入负直流偏置(2 A)可进一步将峰值温度降低3.29 K。该研究首次揭示了高导热材料(κ)与高功率因子(PF)对瞬态冷却的双重增益机制，为芯片热管理材料选择提供了新标准。

关键技术包括：1) 建立含高斯热源分布的圆柱坐标系理论模型；2) 采用频率域热反射法(FDTR)测量谐波温度响应；3) 通过COMSOL Multiphysics实现多物理场耦合仿真；4) 量化分析热接触电阻(TCR)与电接触电阻(ECR)的影响。

主要研究结果

1. 理论与数值模型验证
   通过解析求解含二阶谐波的温度场方程，发现当AC电流>0.5 A时，二阶谐波分量导致温度波形畸变，仿真显示其贡献度可达基波的23%。

2. 材料参数优化规律
   Seebeck系数(S)和电导率(σ)共同决定PF值，而热导率(κ)提升可使有效导热系数K_eff
   增加47%，二者协同将温度波动抑制效率提高至68%。

3. 界面工程影响
   当TCR>6×10^?3
   K cm²
   /W时，接触热阻会使峰值温度上升12.7 K；ECR>33 μΩ cm²
   则导致制冷效率下降19%。

4. DC-AC耦合模式
   负偏置DC(-2 A)与AC(0.5 A)组合使K_eff
   提升至纯AC模式的2.3倍，温度波动幅值从65.62 K锐减至20.66 K。

结论与展望
该研究突破了传统TEC在稳态冷却中的局限性，通过AC模式实现了对高频热流的动态调制。特别值得注意的是，高κ材料在芯片冷却中展现出与传统制冷应用相反的作用机制——其增强的傅里叶热传导能与Peltier效应形成互补。作者提出的"相位-幅值-偏置"三维调控策略，为3D集成电路的热管理提供了新思路。未来通过优化n型/p型腿的κ值匹配，有望在5G射频芯片等场景实现>10 kW/cm²
的热流控制。