與傳統的有源冷卻方法相比，熱電冷卻器由於其可靠性、靜音性、兼容性和可控性，更容易與電子產品集成，成為一種有效的熱管理解決方案。考慮到電子產品中處理器和芯片的快速發展，這項工作全面回顧了最先進的片上熱電冷卻器的進展，並總結了相關的基礎知識、材料、設計和系統邏輯。特別是，強調了具有自冷卻設計和按需要求的片上熱電冷卻器。最後，指出了當前的挑戰和未來改進片上熱電冷卻器的設計、性能和應用的機會。
昆士蘭科技大學陳志剛教授課題組總結了近年來芯片上的先進熱電冷卻材料與器件的最新研究進展，相關成果發表於期刊Materials Science & Engineering R (DOI:10.1016/j.mser.2022.100700)。隨着高性能芯片的不斷發展和對便攜性的需求，對主動冷卻尤其是TEC的需求具有巨大的潛力，因此，迫切需要及時回顧總結基於TEC的片上熱管理的最新進展。為了實現這一目標，在這項工作中，重點回顧了芯片上TEC的基本原理、材料、設計、結構和系統，並提供了未來發展的挑戰和展望。
要點1：基於珀爾帖效應，熱電冷卻器（TECs）可以直接將電力轉移成溫度差（ΔT）。同時，由於沒有活動部件、熱響應快、安靜、可靠和可擴展性等優點，TEC適合長期運行，且需要的維護量較少。近年來，TEC不斷湧現，使TEC成為電子產品高性能熱管理中最具潛力的候選者之一。對高性能個人電腦（PC）和輕量級筆記本的需求不斷增加，推動了更強大的微型芯片的散熱量，而芯片產生的熱量也在逐年增加。在芯片的熱管理中，熱設計功率（TDP）理論表達了計算機芯片產生的需要被冷卻系統處理的最大熱量。目前， 最新芯片的TDP已經達到120W，是2017年芯片的3倍。而目前的TEC的最佳ΔTmax已經可以達到75K，這足以滿足芯片的熱管理。此外，相反的塞貝克係數（S）也可以作為熱電發電機（TEG）來收集廢熱，產生額外的電力用於支持TEC。因此，精心設計的TEC-TEG系統是冷卻芯片熱點的最有潛力的候選方案。
圖1 (a) 由p型和n型薄膜TE腿製造的經典熱電薄膜。(b)說明了TE冷卻器和芯片的封裝過程。(c) 帶有TE冷卻器的組裝芯片封裝圖。(d) 芯片封裝的側視圖示意圖，包括散熱器、集成散熱器（IHS）、熱界面材料（TIM）、芯片模具、TEC和芯片襯底。(e) 英特爾在過去五年中發布的芯片的TDP。(f) 近年來報告的基於薄膜的TECs的最大冷卻性能ΔTmax。
具有精確模型的TEC對於在芯片上呈現最佳冷卻性能至關重要。現有的模型通常被分為簡化的一維能量平衡模型和三維耦合的多物理場模型。簡化的一維能量平衡模型被用於評估TEC設備冷側的冷卻通量。然而，當熱梯度較大時，一維能量平衡模型不能提供準確的結果，因為該模型簡化了珀爾帖、焦耳加熱和傅里葉傳熱效應。因此，三維耦合多物理場模型可以描述熱場和電場，以準確分析TEC裝置。
圖2 (a) 基於簡化的一維能量平衡模型的TEC腳的模擬熱電路。(b) 基於三維耦合多物理場模型的p型TEC腳的示意圖。(c) 雙腿TEC的示意圖，優化前的初始幾何形狀包含硅襯底（藍色），底部金觸點（黃色），p型半導體（綠色），n型半導體（紅色），和頂部鎳觸點（灰色）。(d) 在熱電腿幾何形狀不變的情況下，R（藍色）和ΔT（紅色）與TCT的函數關係。
在將TECs集成到芯片上的過程中，應該考慮一些額外的設計因素，包括器件配置、寄生效應和工作條件。此外，TEC和微芯片的適當集成設計可以最大限度地提高TEC在芯片上的冷卻效率。然而，每個設計參數都會對TEC的冷卻性能帶來不同的影響。由於需要進行許多複雜的實驗，每個設計參數的權衡相當耗時。因此，田口方法與灰色關係分析（GRA）被成功開發，以確定重要的設計參數並確定不同條件下的最佳設計參數組合。
圖4 帶有集成TEC的3D電子封裝的（a）主視圖和（b）側視圖的示意圖。(c) 在固定的加熱功率下，陶瓷加熱器上模擬和實驗的最大溫度變化與輸入電流的函數比較。(d) 每個設計因素對被動和主動冷卻效果的貢獻率。
芯片的熱管理主要考慮的是整個芯片封裝的熱阻以及芯片散失的熱通量密度。主要的芯片封裝可以分為兩種類型，即二維（2D）架構和三維（3D）架構。二維架構的芯片封裝被定義為在一個封裝上並排連接硅芯片。在三維架構方面，兩個或更多的芯片總是垂直堆疊，由於更高的帶寬和低延遲的通信，可以有效地提高效率。然而，三維堆疊比二維封裝具有更高的熱阻，因為三維堆疊有額外的互連/下填充層和後端（BEOL）層。因此，3D堆棧的垂直模型可能導致封裝內的溫度升高。為了解決這個問題，應該開發一種理想的熱管理方法，通過底部和頂部冷卻堆棧，以產生雙重冷卻能力，但相應的設計非常複雜。
圖5 (a) 包含散熱器、散熱片、熱界面材料（TIM）、熱電冷卻器（TEC）、芯片和襯底的二維電子封裝示意圖。(b) 包含散熱器、散熱器、TIM、有效電阻層（ERL）、TEC、芯片和襯底的三維堆疊電子封裝示意圖。(c) 電子封裝的垂直截面[左上]、芯片的底面[右上]以及TEC的冷麵和熱面[左下和右上]的溫度輪廓。(d) 當通過TEC施加不同的電流振幅時，熱點的溫度差異隨時間變化。(e) 通過底部芯片的水平面的溫度等值線圖，顯示通過TEC的0 A[頂部]和1.75 A[底部]的熱點溫度。(f) 熱點溫度隨TEC中的應用電流的變化。
基於微體的TEC擁有傳統的垂直夾層結構，但只有微米或納米級的尺寸。與平面薄膜結構相比，垂直體結構具有較低的電阻，並且沒有通過襯底的額外能量損失，但在微觀尺寸上，熱電腿和上層電極的粘合是困難的，這是製造微型塊體TEC的主要挑戰。然而，為了解決這個問題，已經開發了幾種技術，包括倒裝芯片技術、電鍍、光刻、互補金屬氧化物半導體（CMOS）和電化學沉積（ECD）。
圖6 (a) 集成四層微型塊體TEC的製造過程示意圖。(b) TEC裝置頂部的相應SEM視圖。(c) 在室溫~20℃下，電流範圍為5-140mA時，兩個腿對的實驗和模擬淨冷卻溫度。插圖：應用電流為70 mA時的光學和熱反射圖像。(d) SiNWs的製造過程示意圖。(e) 相應的SEM圖像。(f) 不同長度的SiNWs的ΔTs與工作電壓的關係比較。
圖7 (a) 帶TEC的LED的製造和封裝過程示意圖。(b) 在輸入電流為1.0和2.0A時，TEC冷麵的相應熱紅外圖像。(c) TEC的冷麵溫度和電壓作為輸入電流的函數。(d) TEC開啟和關閉時的芯片溫度與輸入電流的函數比較。
基於薄膜的TECs被定義為具有平面輻射結構的TECs。與微型塊體TEC相比，薄膜TEC的厚度較低，更容易與便攜式電子產品集成。然而，基於薄膜的TEC通常面臨着關於基材上的寄生熱損失問題。因此，已經研究了幾種方法來解決這個問題，其中包括消除支持基板或膜以避免寄生熱損失，應用獨特的TEC設計以最大化有效冷卻面積比，以及優化TEC的厚度和材料以最大化冷卻性能。
圖8 (a) TEC的獨立式平面設計示意圖。(b) 單級薄膜基TEC的SEM圖像。(c) 不同接觸設計的TEC的穩態冷卻性能與輸入電流的關係比較。(d) 在PI襯底上的1對TEC的示意圖，厚度為5.05μm的n型和5.45μm的p型TE腿。(e) 關於TEC的熱通量分析和溫度曲線的相應的具體圖像。(f) 不同比例的TE薄膜厚度下的冷熱結點的溫度變化比較。(g) 新型平面輻射結構的TEC的示意圖。(h) 在輸入電流~10 mA時，帶有TEC的芯片的相應熱紅外圖像。(i) 根據TEC的不同輸入功率，芯片上熱點的溫度變化。。
除了基於微型塊體和薄膜的TEC，還有許多新穎的結構和設計隨着TEC在熱點管理上的興起而發展起來，它們表現出額外的特性，如可伸展性和兼容性。
圖9 (a) 用於熱點冷卻的孔狀硅基TEC的示意圖。(b) 在100 ℃背景溫度下，擁有不同寬度頸部的TEC的實驗和模擬冷卻性能比較。(c) 在100 °C背景溫度下，擁有不同深度溝槽的TEC的實驗和模擬冷卻性能的比較。(d) 可拉伸熱電裝置的示意圖。(e) 製造的裝置的相應照片。(f) 在0.8W的恆定傳導熱負荷下，不同應變下的冷卻性能的比較。(g) 通過磁控濺射系統的薄膜TEC的製造過程示意圖。(h) 有和沒有不同熱電接口材料（鉻和銀）的最大溫差的比較。(i) 有無不同熱電接口材料（鉻和銀）的最大冷卻通量的比較。
隨着芯片上TEC的快速發展，TEC的應用逐漸被整合到電子產品中，包括智能手機、筆記本電腦，甚至智能家具和醫療應用。
圖10 (a) 陣列TEC覆蓋在CPU表面的示意圖。(b) 4×4陣列TEC的相應光學圖像被放置在正常工作的CPU表面。(c) 有無TEC的溫度曲線和相應的熱電電壓與時間的關係比較。(d) TPU的有限元模擬模型示意圖 (e) 安裝在TPU頂部的超晶格TEC的特寫示意圖。(f) 基於谷歌TPU芯片的平面圖。(g) 基線TPU芯片的熱圖。(h) 安裝了超晶格TEC的TPU模具的熱圖。
圖11 (a) 集成有TEC的DRAM的光學圖像。(b)沒有TEC和(c)有TEC的集成DRAM的模擬熱曲線。(d) TEC冷卻對提高可用帶寬的影響。(e) TEC冷卻對減少DRAM的平均響應延遲的影響。
隨着芯片產生的功率密度的增加，複雜的物理散熱解決方案的設計已經變得昂貴。因此，按需熱管理系統已經被開發出來，通過系統監測和控制進一步優化冷卻性能。按需系統可以應用TEC來緩解熱點，並有效減少影響芯片工作頻率的動態熱管理（DTM）調用，以最大限度地提高片上冷卻性能。
圖12 (a) SCOOL設計的結構說明。左邊：該設計被放置在基線系統的CPU散熱器和散熱器之間。中央。自上而下視角的CPU上有無SCOOL層。右圖：運行cactusADM時，芯片上各功能單元的溫度熱圖，中間電路塊連接TEG和TEC。(b) 有和沒有SCOOL設計的芯片的溫度分布比較。(c) 有無SCOOL設計的各功能單元的溫度比較。
圖13 (a) 計算機上的5×5熱電陣列的說明，用於熱管理。(b) 熱電模塊作為熱電發生器（TEG）和熱電冷卻器（TEC），覆蓋在15×15平方毫米的芯片表面。在(c) "打開 "和(d) "關閉 "TEC-TEGs系統的情況下，芯片表面的溫度輪廓。
隨着半導體的發展，智能手機的性能和速度得到了顯著提高。與計算機類似，智能手機的高級功能需要更強大的芯片，具有更高的功率密度，這導致了更高的溫度。然而，由於尺寸較小、功率密度較高、能量消耗有限（電池），智能手機的熱管理比計算機更具挑戰性。因此，按需冷卻系統和自冷卻設計的整合被認為是移動環境中最具潛力的可持續熱管理。
圖14 (a) 附加層與DTHER安裝在手機後殼和PCB之間的過程說明，以及相應的溫度圖。(b) 附加層上TECs、TEGs和MSCs的位置及其相應結構圖。有無DTHER的熱點和冷點區域的溫差：（c）後蓋，（d）內部元件。
圖15 (a) 用於測量的移動芯片的平面圖說明。(b) 熱分析期間不同時間點的芯片溫度說明。(c) 紅外相機的溫度和瞬態熱學多物理場仿真模型的比較。(d) 有和沒有TEC的core0的溫度比較。
時至今日，芯片上的熱電冷卻材料與器件的研究取得了令人矚目的進展，然而目前其存在的挑戰也比較嚴峻。其未來展望包括以下幾個方面：
1.研究先進的TE材料以進一步提高熱電性能。
2.增強制造工藝進一步降低芯片上TEC的製造成本。
3.探索和優化芯片上TECs相關系統和設計。
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https://doi.org/10.1016/j.mser.2022.100700
陳文禕（第一作者）於2020年獲得昆士蘭大學碩士學位，並於2021年開始在昆士蘭大學攻讀博士學位，其主要的研究方向為以先進制冷應用為目標的熱電材料和器件設計，導師為陳志剛教授及史曉磊博士。目前已發表學術論文5篇（第一作者3篇）。
史曉磊（共同第一作者）澳大利亞昆士蘭科技大學研究員，昆士蘭大學榮譽研究員。於2008及2011年在北京科技大學分別取得材料學學士及碩士學位，於2012-2015年就職於清華大學摩擦學國家重點實驗室深圳微納研究室。2015年獲得澳大利亞國際留學生全額獎學金（IPRS）開始在昆士蘭大學攻讀材料工程博士，為2018年度國家優秀自費留學生獎學金獲得者，並於2019年獲得博士學位。2019至2021年於南昆士蘭大學進行博後工作。長期致力於高性能熱電材料與器件的研究，目前作為主要負責人承擔包括澳大利亞研究理事會等多個科研項目（ARC Discovery Project一項以及Linkage Project兩項，總計約190萬澳元）。共指導4名博士研究生和9名碩士研究生，其中已畢業碩士研究生9名。為全球Top 2%科學家（截至2021年8月，Elsevier BV），共發表學術論文132篇（影響因子10以上76篇），中國發明專利3項，其中以第一及通訊作者身份在Nat. Sustain.，Chem. Rev.，Prog. Mater. Sci.（3篇），Mat. Sci. Eng. R，Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.（5篇），Adv. Funct. Mater.（4篇），ACS Nano，Nano Energy（4篇），Energy Storage Mater.，Adv. Sci.，InfoMat，Chem. Eng. J.（3篇）等高水平國際學術期刊上發表論文54篇，14篇被選為ESI高被引論文（前1%），1篇被選為Hot Paper（前1‰）。這些論文被Google Scholar引用達4900餘次，H-index達到37（i10-index達到86）。目前擔任國際開源學術期刊Micromachines（影響因子3.523）熱電材料與器件特刊編輯及十餘個國際知名期刊的審稿人。
鄒進教授現任澳大利亞昆士蘭大學的納米科學講席教授（Chair in Nanoscience），曾任澳大利亞電子顯微學會秘書長。鄒進教授目前的研究方向包括：半導體納米結構（量子點，納米線，納米帶，超簿納米片）的形成機理及其物理性能的研究；先進功能納米材料的形成及其高端應用，尤其在能源，環保和醫療中的應用；固體材料的界面研究。鄒進教授在國際知名刊物發表學術論850多篇，並被引用28,000次。鄒進教授目前承擔多項澳大利亞研究理事會的研究課題。
陳志剛教授（通訊作者），澳大利亞昆士蘭科技大學能源學科講席教授（Capacity Building Professor in Energy Materials），昆士蘭大學和南昆士蘭大學榮譽教授。長期從事功能材料在能量轉化的基礎和應用研究。博士畢業後前往澳大利亞昆士蘭大學機械與礦業學院工作，先後擔任研究員，高級研究員，榮譽副教授，榮譽教授，後轉入南昆士蘭大學擔任副教授（2016）和教授（2018）。目前是昆士蘭科技大學能源學科講席教授 （Capacity Building Professor in Energy Materials，2021）。先後主持共計二千萬澳元的科研項目，共指導17名博士生和15名碩士研究生，其中已畢業博士生9名和碩士生7名。在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Chem. Rev.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed.等國際學術期刊上發表360餘篇學術論文,被SCI引用22500餘次，H-index達到78，是科睿唯安「高被引科學家」。澳大利亞昆士蘭科技大學（世界Top200）熱電材料與器件課題組招收博士研究生
·目前已經取得和將要取得碩士學位且GPA 5/7；·英語符合學校要求（TOFEL iBT 79，寫21，說18，聽讀16；或IELTS Academic 6.5；單項6.0；·發表過至少一篇論文，熱電材料、器件或應用方向的優先考慮。
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