南開大學：一種用于精準控溫的點陣式主動制冷電卡器件
近年來，微型內建電路和電子晶片已成為科技發展的重要組成部分。随着它們內建度的不斷提高，其總功耗呈指數上升。在多核晶片中，單個核的異常發熱會直接影響其他核甚至整體的運算能力，這意味着局部異常發熱會使晶片熱管理變得更加困難。在目前電子産品的所有故障中，由異常發熱造成的損壞超過了55%。當電子晶片溫度接近70-80 °C時，其性能每升高2 °C就會降低~10%。是以，電子晶片的精準控溫日益成為影響電子工業發展的重要因素。
圖1點陣式主動電卡制冷薄膜的制備及表征
近日，南開大學材料科學與工程學院馬儒軍教授團隊報道了一種高效的點陣式電卡(Electrocaloric, EC)制冷器件，可以有效地針對多核晶片的局部異常發熱問題進行主動精準控溫。通過三乙胺(Et3N)化學改性，在P(VDF-TrFE-CFE)骨架上引入了C=C雙鍵，降低了偶極翻轉的能壘。同時，Ba0.6Sr0.4TiO3納米粒子的摻入進一步提高了材料的EC性能和導熱系數，并更适用于高頻率下的熱傳導和靜電驅動效果(圖1)。
通過電路設計後，多核晶片的局部異常發熱可作為觸發信号輸入到EC制冷器件中，實作自動響應和精準的熱管理。以靜電驅動為基礎，EC聚合物與熱源接觸時實施制冷并吸收來自熱源的熱量，在與散熱器接觸時将熱量釋放。如此快速循環，對多核晶片實施高效熱管理。EC制冷器件中所有陣列點的溫度跨度(Tspan)穩定在4.6 K，熱流通量高達為62 mW/cm2，是同類單層器件的兩倍以上。由于聚合物的絕緣特性，EC制冷器件的耗能低，具有較大的COP (圖2)。
圖2精準控溫電卡制冷器件的工作原理及性能表征。
圖3精準控溫電卡制冷器件的熱管理應用。
本設計的點陣式EC冷卻器件尺寸僅為5×7×0.4 cm3，同時可實作針對多核晶片溫度差異化的熱管理需求。EC器件中的每個制冷像素點可以獨立或協調工作，響應時間僅為1 ms。在相同的條件下，本設計的EC制冷器件能夠将模拟CPU(NO:CT-JRP, 5V/2W)的表面溫度穩定地抑制在59.1°C。在冷卻性能上與CPU風冷散熱器相當，并且遠優于桌面風扇(圖3)。這種結構緊湊、可嵌入、高性能、點陣式EC制冷器件為主動、精确定位和溫度差異化熱管理提供了靈活的政策，在微電子過熱保護方面具有很大的應用潛力。
該工作以“An active pixel-matrix electrocaloric device for targeted and differential thermal management”為題發表在《Advance Materials》上
