[科普中國(guó)]-熱端

熱遷移的理論知識(shí)

根據(jù)固態(tài)相變理論，當(dāng)處于恒溫恒壓狀態(tài)時(shí)，一種異相的二元固溶體或合金經(jīng)過(guò)退火處理后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥喙倘荏w；反之當(dāng)處于恒壓但存在溫度梯度的狀態(tài)下時(shí)，該同質(zhì)二元合金經(jīng)退火處理后會(huì)變成異相合金，這種由同相到異相的材料相變過(guò)程稱為Soret效應(yīng)。例如，成分均勻的二元固溶體在其兩端施加溫度梯度，當(dāng)固溶體兩端所承受的溫度梯度大于閾值溫度梯度時(shí)，產(chǎn)生的原子遷移過(guò)程就將導(dǎo)致固溶體的成分不均勻。二元固溶體中一個(gè)組元快速?gòu)臒岫藬U(kuò)散到冷端，導(dǎo)致該組元在熱端被耗盡，這樣的原子擴(kuò)散過(guò)程就是所謂的熱遷移效應(yīng)。由于異相合金的自由能比同相合金的自由能高，因此熱遷移的過(guò)程實(shí)際上就相當(dāng)于是一個(gè)從低能態(tài)向高能態(tài)轉(zhuǎn)變的能量傳遞過(guò)程。

熱端與冷端根據(jù)原子擴(kuò)散的熱力學(xué)原理，金屬材料組元的化學(xué)位變化將驅(qū)使原子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使擴(kuò)散原子沿著化學(xué)位降低的方向進(jìn)行擴(kuò)散。其中，熱量高的一端稱為熱端（一般溫度較高）；熱量低的一端稱為冷端（一般溫度較低），熱端與冷端之間有一個(gè)溫度梯度，進(jìn)行能量的遷移1。

熱遷移的微觀機(jī)制及宏觀現(xiàn)象目前，人們對(duì)于熱遷移效應(yīng)引起的原子擴(kuò)散的微觀理論及機(jī)制的研究還不完全，因此現(xiàn)階段對(duì)熱遷移效應(yīng)研究的假設(shè)條件可以等同于電遷移效應(yīng)，即適用于電遷移效應(yīng)的原子擴(kuò)散微觀機(jī)制也同樣適用于熱遷移效應(yīng)。當(dāng)金屬兩端只有溫度梯度存在時(shí)，金屬熱端電子的熱振動(dòng)能量高于冷端電子的熱振動(dòng)能量，由此在金屬兩端將形成由溫度梯度而導(dǎo)致的電子所擁有的能量梯度，該能量梯度將驅(qū)使電子由熱端向冷端定向遷移。在大量自由電子向冷端遷移的過(guò)程中，將會(huì)與焊點(diǎn)內(nèi)部的原子或離子發(fā)生非彈性碰撞，并將一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給原子或離子，使其發(fā)生從熱端向冷端的定向遷移。由于粒子間發(fā)生非彈性碰撞導(dǎo)致動(dòng)量交換，而產(chǎn)生的質(zhì)量轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)力通常稱為傳輸熱*Q，可以表示為原子在遷移前后所擁有的熱量（或熱焓）差值。

大部分焊點(diǎn)組元在熱遷移效應(yīng)的作用下原子遷移的方向通常都與溫度梯度下降的方向一致。在大量原子的不斷作用下，互連微焊點(diǎn)中的原子將產(chǎn)生宏觀的熱遷移現(xiàn)象。當(dāng)焊點(diǎn)組元原子在溫度梯度的作用下，由熱端向冷端定向遷移并且在冷端界面附近積累時(shí)，將造成互連微焊點(diǎn)冷端的原子產(chǎn)生晶格壓應(yīng)力，在連續(xù)不斷作用的晶格壓應(yīng)力下，焊點(diǎn)冷端界面附近會(huì)產(chǎn)生凸起，甚至產(chǎn)生塑性變形等現(xiàn)象。而在焊點(diǎn)熱端，隨著界面IMC的不斷溶解，原子遷移到冷端，使熱端界面附近的空位濃度不斷增多，原子的間距增大，從而產(chǎn)生晶格拉應(yīng)力，在晶格拉應(yīng)力的持續(xù)作用下在焊點(diǎn)熱端界面附近誘發(fā)空洞，甚至形成裂紋。

熱遷移的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)原子擴(kuò)散的熱力學(xué)原理，金屬材料組元的化學(xué)位變化將驅(qū)使原子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使擴(kuò)散原子沿著化學(xué)位降低的方向進(jìn)行擴(kuò)散。

半導(dǎo)體制冷熱端散熱方式半導(dǎo)體制冷過(guò)程中熱端散熱方式的好壞將直接影響半導(dǎo)體制冷器的制冷性能。冷熱端的溫差對(duì)熱量的傳遞有很大影響，如果兩端散熱效果不好，會(huì)導(dǎo)致溫差增大，從而降低半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的制冷量。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)工作時(shí)，熱量不斷地從冷端傳到熱端，熱端的熱量只有及時(shí)排走，冷熱端才能保持較小的溫差，冷端才能持續(xù)制冷。半導(dǎo)體制冷熱端的散熱方式主要有：自然對(duì)流散熱、強(qiáng)制對(duì)流散熱、水冷散熱、相變散熱和熱管散熱。散熱方式的不同，其散熱效果差別比較大，已下就這幾種散熱方式進(jìn)行介紹。

自然對(duì)流散熱自然對(duì)流散熱需要散熱片作為熱交換器，通過(guò)自然通風(fēng)，將熱量散發(fā)到環(huán)境中去，一般應(yīng)用在小型半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)中或要求低噪音的系統(tǒng)中。半導(dǎo)體制冷器冷端與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交換，并將吸收的熱量通過(guò)熱電效應(yīng)傳遞到熱端，熱端熱量再經(jīng)過(guò)金屬的導(dǎo)熱傳遞到散熱片，散熱片的熱量利用空氣的自然對(duì)流散發(fā)到周?chē)h(huán)境中，實(shí)現(xiàn)散熱目的。

自然對(duì)流散熱換熱系數(shù)小、功率低，使用方便、噪音小，但其缺點(diǎn)是要達(dá)到比較好的散熱效果，需要較大的散熱面積，散熱效果差。在選用自然對(duì)流散熱時(shí)一般除了考慮有無(wú)噪音、體積的大小外，還要看所研究系統(tǒng)熱端的溫度，如果熱端溫度遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度，則半導(dǎo)體制冷系數(shù)會(huì)比較低；如果熱端溫度和環(huán)境溫度相差不大或接近時(shí)，半導(dǎo)體制冷效果會(huì)比較差，這兩種情況下盡量不要使用此種散熱方式2。

強(qiáng)制對(duì)流散熱強(qiáng)制對(duì)流散熱是在自然對(duì)流的散熱片上加一個(gè)制冷風(fēng)扇，這樣其對(duì)流換熱系數(shù)比自然對(duì)流時(shí)大大提高，在同樣的散熱功率下，其所需散熱片面積小。由于此種散熱方式散熱效果較好，得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于冷風(fēng)機(jī)、小型空調(diào)器、半導(dǎo)體冰箱等。強(qiáng)制對(duì)流散熱的散熱器設(shè)計(jì)要考慮很多因素如：散熱器結(jié)構(gòu)尺寸、表面粗糙度、黑度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。需要說(shuō)明的是，風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音，在需要靜音的場(chǎng)合強(qiáng)制對(duì)流散熱會(huì)受到限制。

水冷散熱水冷散熱可用在小型半導(dǎo)體制冷器中，由于小型半導(dǎo)體制冷器功率小，產(chǎn)熱量少，少量水流過(guò)水箱就可達(dá)到冷卻效果。在一些較大功率的半導(dǎo)體制冷器中如半導(dǎo)體空調(diào)器，為了能夠提高換熱系數(shù)以達(dá)到比較好的冷卻效果，可把水箱分成若干流道并在其中加上散熱翅片來(lái)強(qiáng)化傳熱。水冷散熱效率雖然很高，但是水箱表面容易積垢，會(huì)使傳熱性能下降，并且水冷散熱要求有一定的水源不方便移動(dòng)，這也限制了它的使用范圍。