发布时间 : 星期四 文章散热设计更新完毕开始阅读2b7ba9312af90242a895e597
成前端传热的困难，使得散热片即使体积增加也无法增加效率。散热片变短时，增加表面积会增加散热效率，但也会使散热片的体积减少而造成的缺点（热容量减少）因而产生。因此鳍片长度需保持一定才能产生效果。
鳍片变薄-鳍片传热到顶端能力变弱 鳍片变厚-鳍片数目减少（表面积减少）
鳍片增高-鳍片传到顶端能力变弱（体积效率变弱） 鳍片变短-表面积减少
4. 散热片表面处理：
散热片表面做耐酸铝（Alumite）或阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片的散热效能，一般而言，和颜色是白色或黑色关系不大。
表面突起的处理可增加散热面积，但是在自然对流的场合，反而可能造成空气层的阻碍，降低效率。 上述之设计方式仅供散热片设计之参考，实际散热片设计时还需考虑与组件以及环境的配合，尤其是高效能散热片的设计需配合实验量测验证以及CFD的分析模拟。
六、强制对流散热片设计
随着散热的需求日益增加，散热片的效率需要进一步提升，基本上可透过两个方式来改善，第一个方法是增加热传系数h，第二个方法则是增加散热面积，可由牛顿冷却定律说明。
q=hA(Theat sink-Tair)
热传系数可以透过几个方法增加：
(1) 增加空气流速这个是很直接的方法，可以配合风速高的风扇来达成目的，但是须注意当鳍片变密或是形状形成阻碍时，会造成流阻，形成背压或回流，产生噪音及灰尘。
(2) 平板型鳍片做横切将平板鳍片切成多个短的部分，这样虽然会减少散热片面积，但是却增加了热传导系数，同时也会增加压。当风向为不定方向时，此种设计较为适当。
(3) 针状鳍片设计针状鳍片散热片具有较轻及体积较小的优点，同时也有较高的体积效率，更重要的是具有等方向性，因此适合强制对流散热片，如图九所示。鳍片的外型有可分为矩形、圆形以及椭圆形，矩形散热片是由铝挤型横切而成，圆形则可由锻造或铸造成型，椭圆形或液滴形的散热片热传系数较高，但成型比较不易。
(4) 冲击流冷却利用气流由鳍片顶端向底部冲击，这种冷却的方式可以增加热传导性，但是须注意风的流向配合整体设计。
图九针状鳍片散热片（Alpha Inc.）
图十辐射状鳍片散热片(JMC Inc.)
对于常见的风扇置于散热片上方的下吹设计，由于须配合风扇特性，因此需做更精确的设计。轴流风扇由于有旋转效应，同时轴的位置风不易吹到，因此许多散热片设计成辐射状，如图十所示。也有些散热片的顶端设计成长短不一或是弯曲的形状用以导风。另外种方式是采用侧吹的方式，一般而言，侧吹方式的散热片由于气流可吹过鳍片，而且流阻较少，因此对于高且密的鳍片而言，配合顶端加盖设计以防止气流旁通（bypass），侧吹式比下吹式可有更好的效果。但是由于占用了侧面空间，因此减少了散热片鳍片数目。特殊型式的风扇设计时最好配合CFD 模拟，以确认散热片形状所造成的效应，如图十一所示，同时应配合实验验证。另一方面，强制对流散热片的设计还须注意系统风向及机构配合，利用系统风散热、注意其它零件造成的流阻以及利用外壳等部份做进一步散热，以节省空间。
图十一散热片热传分析(a) model (b) 鳍片温度分布(c)散热片温度分布
六、结论
目前散热片的设计已渐渐趋向极限，空气冷却的方式将无法满足需求，未来的散热片设计将结合其它散热组件及方式如热管、平板式热管、回路型热管、水冷等，使得散热的设计更为弹性及多样化，不论如何，散热片仍然是最有效益的散热方式，善用散热片设计于发热组件可改善系统发热状况。高效能散热片的设计可配合CFD 分析软件做完整分析，以了解气流及热传状况，不必迷信复杂形状的散热片，简单铝挤型散热片做横切等加工就可能有不错的效果。不论设计制造或是应用散热片的工程师都应了解散热片的设计及特性，才能解决电子产品的热管理问题。
参考文献
1. S. Lee, “How to select a heat sink “, electronics cooling, 1995.
2. C.A. Soule, “Future trends in heat sink design”, electronics cooling, 2001.
3. M. Iyengar & A.Bar-Cohen, “Design for Manufacturability of SISEparallel plate Forced convection heat sinks”, Inter Society Conference on Thermal Phenomena, 2000.
4. H. W. Markstein,“Optiumizing heat sink performance ”, EP & P, 1995.
散热设计（六）微热电致冷器之特性及发展
陈启川 刘君恺 郑忆湘
一、前言
随着网络及通讯技术的快速发展，对讯号传输的质量及速度要求越来越高，组件性能提升，而封装的趋势朝向轻薄短小，造成组件的发热密度不断提升。如果热无法迅速散去，会造成产品可靠度降低，甚至损毁的严重后果。对于光通讯组件而言，除了散热，温度的控制更为重要，例如温度的变化会影响主动组件如光收发器Laser Diode 或Tunable laser 的输出功率稳定度而影响讯号质量，也会造成被动组件如AWG 等的光波长偏移而失效。许多高功率电子以及光通讯组件在研发过程中，热的问题已成为技术发展的瓶颈。以CPU 为例，到2005年时，CPU 发热量会从现在的61W 增加到96W，传统的散热方式如散热片及风扇等，已无法满足需求。而水冷及冷冻循环则有成本高、体积大以及污染等问题，因此无噪音、无污染、冷却温度低的热电模块开始受到重视。
热电组件又称致冷器，目前应用的热电组件是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才开始出现真正的应用装置，然而其理论基础Peltier Effect 却可追溯到19 世纪。于1821 年德国科学家Thomas Seeback 观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为Seeback Effect，这也成为了温差发电技术的基础。而到了1834 年，才由物理学家Jean Peltier，发现不同的介质交接处，因应电流方向的不同会产生致冷或加热的效果，其产生冷热温差之幅度由电流大小而定，这个现象则称之为Peltier Effect，是为Seeback Effect 的逆效应。其说明如图一所示， X 及Y两种不同的金属导线构成一封闭回路，在通上电源之后，A 点的热量将被移到B 点，而导致A 点温度降低，B 点温度升高。直到近代，随着半导体的蓬勃发展，利用半导体的特性，可使材料的热电转换性能大幅提升，如Bi2Te3、PbTe 等材料的应用，以及各种新制程如长晶、烧结等技术的开发，使得商业化的产品有了更多的应用。于是在热电技术上开始了蓬勃的发展。目前热电组件在电子及光电组件方面已有重要的应用，而新的材料及设计技术也不断的在发展，以进一步提升微热电组件的性能。本文将详细介绍热电组件的结构、特性、应用以及未来的发展方向，
二、热电组件之结构
(图二)为一个实际应用之热电组件的典型结构，从图中可看出其主要结构包含有上下两片陶瓷板以及中间的N 型和P 型半导体材料(主要材料为碲化铋Bismuth Telluride)，其中N 型和P 型半导体材料之颗粒依序排列，再以一般的导体物质将N 型和P 型颗粒串联,而使之成为一完整线路，串联用的导体材料通常是铜、铝或是其它金属，最后再由两片陶瓷片，将N、P 材料像夹心饼干一样地包夹起来。因此在热电组件结构中最重要也最基本的单元便是热电偶(thermocouple)，而数个热电偶串联便组成热电堆(thermopile)，所以将之阐述地更详细点，即是:一个热电偶包含有两个热电单元，其各为N 型和P 型的半导体，而若有多组N 型和P型的半导体相串联，此时则称为热电堆。现针对此热电组件，将其各部结构做详细地说明。 1.基板：
具电性隔离、提供冷热端面之传导、增强热电致冷器结构强度之作用。常用陶瓷材料制成，如Al2O3(氧化铝)、BeO(氧化铋)、AIN（氮化铝)等。其传导系数以及电阻系数如(表一)所示。从(表一)中不难看出，在这些材料中，以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，然而虽然以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，但因BeO 具有毒性而较少人使用；而另一方面AIN 之制作成本又为Al2O3 十倍以上，故一般在陶瓷机板材料的选用上以Al2O3 的使用较为广泛。
2.热电材料：
是一种将电能与热能交互转换的材料，其材料需具备有高导电性的特质，以避免因电阻太大而引起电功率之损失，此材料同时亦需为高热阻物质，以不使冷热两端的温差因热传导而改变。因此，其材料不仅需要N 型和P 型半导体特性，还要能够根据掺入杂质的不同，进而改变半导体内因温度差造成的电动势，而其导电率和导热率均能满足前述的需求。目前常用的热电材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P 型
材是Bi2Te3-Sb2Te3，N 型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。
目前热电材料的选择可依其运作温度分为三类： (1).碲化铋(Bismuth telluride)及其合金：
这是时下被广为使用于热电致冷器的材料，低温其最佳运作温度(＜450℃＝。 (2).碲化铅(Lead telluride)及其合金：
这是时下被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。 (3).硅锗合金(Silicon Germanium):
此材料亦常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300℃。
材料的效率可由定义材料性质的ZT 值(Figure of merit)来评估，其ZT 的定义如式(1)。
ZT=S2Tσ/K (1)
其中
S 为热电势(thermoelectric power or Seebeck coefficient) (V) T 为绝对温度(K)
σ为电导率(electrical conductivity) (1/Ohm) K 为热传导系数(thermal conductivity) (W/mK)
在热电材料中，为有一较高之ZT 值，则材料必须有高的热电势(S)，高的电导率(σ)与低的热传导系数(K)。但我们可由(图四)看出，要增加普通材料之ZT 值相当困难，因为当导电率增加时热导率也会同时跟着增加。事实上，从(表二)可以知道，碲化铋(Bi2Te3)一直是具有最高之ZT 值之材料，其在室温下之ZT 约为0.52，而有碲掺杂之Bi2Te3-Bi0.5Sb1.5Te3 材料其ZT 值则约为1.0。
3.焊料(solders):
一般而言焊料需比融化点温度高20℃-30℃，标准型热电模块高达120℃，高温型热电模块高达200℃，(表三)所列内容是为常用焊料之组成成分百分比，以及其熔点温度之比较。
三、热电组件之工作原理及应用
热电组件之工作原理可以单一组N 型和P 型材上之现象来说明：因为N 型半导体的载子为电子，P 型半导体的载子为电洞，所以不同型的热电单元，其电流方向会相反，因此N 型半导体的电子和P 型半导体的电洞是往同方向流动的，其中半导体的载子会成为传热的媒介，而外加的直流电源则提供了电子流动所需的能量。所以在每个热电单元上，载子流的起点均为冷端(cold side)，终点均为热端(hot side)，所以在通上电源后，电子由负极(-)出发，首先经过P 型半导体，于此吸收热量，到了N 型半导体处，又将热量放出，每经过一组N、P 模块，就有热量由一端被送到另外一端，因为这种主动式地将热量泵送，而造成温差，形成冷热端。当电流方向相反，热量传递的方向也会相反，利用此原理可做温度控制之用。另一方面，如在基板上方给予热量，造成两侧基板的温度差，则会产生电流，利用此效应可做为废热发电之用。热电致冷器因为具有许多优点，所以可以广泛地应用载许多场合，其主要特点整理如下：
1.不需使用任何冷却剂，可连续工作，无污染、无动件、无噪音，寿命长，安装容易，且体积小重量轻，维护容易。
2.具有两种功能，既能致冷，又能加热(效率高)，透过改变电流方向达冷却或加热两种不同目的，并可做为多级的应用方式，可使效率更高，如图四所示。
3.其冷却方式为主动冷却，而能致冷使温度低于室温，一般的散热片为被动冷却，温度须要高于环境才有散热功能。若于热电组件之热端接上相同的散热片，因热电组件为主动冷却，不断带走冷端的热量，所以冷端可以低于室温，可做为高发热功率之电子组件冷却之用，对于组件的性能提升有很大的帮助，如图五(a)所示。
4.为电流换能型组件，透过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，尤其体积小，效率高，非常适合于光通讯组件如AWG、Transceiver 等组件、红外线sensor，以及Bio-MEMS 组件之精密温度控制，如图五(b)~(d)