基于热反射成像技术的β-Ga?O?肖特基势垒二极管热电-微通道混合冷却系统热性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermal performance of a thermoelectric-microchannel hybrid cooling system for β-Ga 2O 3 Schottky barrier diodes using thermoreflectance imaging

　　

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  建立了一种用于β-Ga₂O₃ SBDs的混合微型TEC/MC冷却模型。
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  采用热反射成像技术测量SBD结温。
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  确定了TEC-MC性能优于MC冷却的热流范围。
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  量化了微型TEC边界和尺寸效应对接温的影响。
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  优化了动态热响应和冷却性能。

引言

β相氧化镓（β-Ga₂O₃）材料作为一种极具前景的超宽带隙（约4.8 eV）半导体，在下一代电力电子领域受到广泛关注[1]，[2]。凭借其卓越的性能——包括高达8 MV/cm的击穿场强（比4H-SiC高3.2倍，比GaN高2.4倍）[3]，[4]，低能量损耗和高热稳定性[5]，β-Ga₂O₃器件在高电压整流器、电源转换系统和极端环境中展现出卓越性能[6]。尽管β-Ga₂O₃表现出优异的性能，但其固有的局限性限制了器件的可靠性。β-Ga₂O₃最关键的限制之一是其超低热导率（10–27 W·m^?1·K^?1，约为4H-SiC的1/20，GaN的1/5），这会导致功率密度升高时产生严重的自热效应[7]。这会导致器件性能显著退化，因此有效的热管理对于减轻这种退化并确保β-Ga₂O₃器件的可靠运行至关重要。当前旨在减轻β-Ga₂O₃器件自热效应的研究主要依赖于被动热管理技术，包括异质集成[8]，[9]和基板减薄[10]。然而，这些方法散热能力有限，不足以应对高功率β-Ga₂O₃器件日益增长的热流[11]。主动热管理技术，如微通道（MCs）[12]、热电冷却器（TECs）[13]和空气射流冲击[14]，凭借其优异的传热能力，在提高电子器件热性能方面展现了巨大潜力。因此，这些方法越来越多地应用于β-Ga₂O₃器件以提高其热性能。

在各种主动热管理方案中，TECs作为一种电子冷却方案脱颖而出[15]，[16]，因为它们可以直接在电能和热能之间进行转换[17]。与传统冷却技术相比，TECs具有紧凑的设计、快速响应、精确的温度调节以及独特的实现低于环境温度冷却的能力[18]。然而，体微TEC受限于高功耗和封装约束，而微型TEC凭借其小巧的尺寸和高热流处理能力，在热管理领域引起了越来越多的关注[19]。Bulman等人[20]在微型TEC中实现了55 K的温降和128 W/cm²的冷量通量。Chowdhury等人[21]报道了在1300 W/cm²的热流下，使用微型TEC在Si芯片上实现了高达15.8 °C的局部冷却。Sun等人[22]使用微型TEC实现了40.6 K的温差，且具有超过30,000周期的可靠性。Gong等人[23]报道了采用倒装集成微型TEC的动态热测试，在250 W/cm²的热流下实现了高达21.5 °C的热点温度降低。尽管微型TEC提供了优异的冷却性能，但其热端散热不足会导致冷端温度在初始下降后升高[24]。将微型TEC与MC结合的混合冷却提供了一种有效的解决方案，能够最大化微型TEC的冷却性能[25]。Hong等人[12]首次将MC嵌入陶瓷基板中以冷却β-Ga₂O₃ SBD整流器，在同一温度下实现了6.6倍的功率增强。然而，他们的设计未集成微型TEC，这可能会进一步增强传热性能。Sun等人[19]通过将微型TEC集成到LED封装中实现了12.3 °C的温度降低，但未使用MC模块来最大化微型TEC性能。Lei等人[25]证明将微型TEC与MC散热器集成可以将Si芯片的峰值温度降低75%以上（与MC模块相比）。然而，他们的研究未分析微型TEC模块的性能。Du等人[26]通过在TEC热端刻蚀MC实现了66%的TEC冷却能力提升，但对先进设备和专业技术的依赖限制了其实际可扩展性。这些研究证明将TEC与MC集成对于电子冷却是有效的。因此，本研究专注于开发微型TEC与MC模块集成的热电流体耦合模型，以冷却β-Ga₂O₃ SBDs，并全面评估和优化影响模块性能的关键因素，从而解决现有研究空白并提高该技术的成本效益，以促进其广泛应用。

在本研究中，建立了一种基于微型TEC与MC模块结合的混合冷却策略的耦合模型，并通过实验进行了验证。在TEC-MC混合热管理条件下，利用先进的热反射成像技术准确测量了SBD结温，并进一步通过热阻分析确定了TEC-MC热性能优于MC时的临界热流。此外，评估和优化了影响微型TEC冷却性能的关键参数。在不改变SBD封装结构的情况下，我们通过封装外壳上制造MC并将SBD集成在外壳内的微型TEC上，展示了一种高效紧凑的热管理方法。本研究为使用微型TEC结合MC对β-Ga₂O₃ SBDs进行热管理提供了基础和指导。

章节摘要

封装β-Ga₂O₃ SBDs的热模型

建立了带有和不带微型TEC的封装β-Ga₂O₃ SBD模型，两者均通过MC散热器冷却，如图1所示。整体封装外壳的尺寸为30 mm × 25 mm × 9.5 mm，而SBD的尺寸为1 mm × 1 mm × 0.65 mm。微型TEC的冷端和热端表面总面积分别为8.4 mm × 4.7 mm和9.1 mm × 4.7 mm，如图1(a)和图1(b)所示。基于MC散热器设计了冷却配置

实验平台的搭建

为了评估微型TEC与MC散热器集成的冷却性能，搭建了一个实验平台，用于量化封装β-Ga₂O₃ SBDs的电流-电压特性、结温、热阻及其他指标。实验平台的示意图如图4所示。为了最小化微型TEC与SBD及MC之间的界面热阻，采用了一种纳米银粘合剂（KM1210HK），其热导率约为50 W·m^?1·K^?1，厚度为20 μm

模型验证与数值精度分析

为了研究TEC-MC混合冷却系统的传热特性并进一步评估其对β-Ga₂O₃ SBD的热管理能力，使用COMSOL Multiphysics 6.3建立了三维耦合TE-流体数值模型。所建立的模型考虑了TEC-MC-SBD系统中热传导、流体对流、电加热和TE冷却的耦合效应。具体而言，固体和流体中的传热、电流以及

结论

在本研究中，为冷却β-Ga₂O₃ SBDs开发了TEC-MC和MC模块的实验和数值模型，TEC与MC模块的集成充分利用了两者的优势，增强了整体热管理能力。使用耦合多物理场模型全面评估了TEC-MC和MC模块的性能，并通过实验进一步验证。采用先进的热反射成像技术测量了结温及相应的热

CRediT作者贡献声明

Longbing Yi：撰写–初稿、方法论、形式分析、概念化。Xuefeng Zheng：撰写–审阅与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、形式分析、概念化。Sijie Bu：验证。Shunyu Wang：验证。Wen Hong：形式分析。Yuan Liu：形式分析。Danmei Lin：验证。Kang Li：验证。Xiaohua Ma：验证、监督、资金获取。Yue Hao：监督、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U2241220，62421005）以及部分中央高校基础研究基金（项目编号：YJSJ26021）的支持。

Longbing Yi|Xuefeng Zheng|Sijie Bu|Shunyu Wang|Wen Hong|Yuan Liu|Danmei Lin|Kang Li|Xiaohua Ma|Yue Hao