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《武汉工程大学》 2016年
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半导体制冷器散热特性及封装湿热性能的研究

徐加俊  
【摘要】:随着半导体材料热电性能的提高,半导体制冷技术在国防、航天、医疗以及微电子等领域得到广泛应用,可实现高精度控制及快速冷却。但是该技术的制冷效率不高,常见的单级半导体制冷器的制冷效率介于0.2和0.6之间,要想拓宽半导体制冷技术的应用范围和竞争力主要在于制冷器制冷性能的提高,如制冷量和制冷系数的提高。此外,周围环境中的热、湿因素引起的脱层开裂失效,是电子封装器件的主要失效形式之一,也是影响半导体制冷技术湿热环境下的可靠性的主要因素。对于半导体制冷器制冷性能的提高方面,首先要了解并确定制冷性能的影响因素,如冷热端换热热阻、制冷温度和电流等。本文研究一常用单级半导体制冷器,通过建立数学模型对制冷器进行稳态条件下的数值模拟,分析冷热端换热热阻、制冷温度和电流等因素与制冷性能的关系,确定制冷性能的最主要的影响因素,得出一定条件下制冷系数和制冷量取得最佳值时各因素的取值范围及理想的散热方式。然后介绍半导体制冷器的实验设备与实验方法,并根据冷、热端散热强度对制冷性能影响的实验数据对模拟结果进行验证。接着本文在潮湿扩散理论的基础上,根据材料的吸湿扩散参数,对常见封装材料在不同的湿度和温度下的潮湿扩散行为进行了简单的有限元模拟,直观的获得不同封装材料在不同条件下的湿度分布,为设计高可靠性的半导体制冷器提供参考意见。
【关键词】:半导体制冷 强化传热 电子封装 湿热性能
【学位授予单位】:武汉工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB66
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-14
  • 1.1 前言10
  • 1.2 半导体制冷技术研究概述10-11
  • 1.2.1 半导体制冷材料的研究10
  • 1.2.2 半导体制冷系统的优化研究10-11
  • 1.3 电子封装技术及半导体制冷器封装概述11-12
  • 1.3.1 半导体制冷器封装概述12
  • 1.4 选题背景及其意义12-13
  • 1.5 研究内容13-14
  • 第2章 半导体制冷概述及制冷循环分析14-28
  • 2.1 半导体制冷基本原理14-17
  • 2.2 半导体制冷工况分析17-21
  • 2.3 实际应用中半导体制冷器的分析21-25
  • 2.3.1 电流(电压)的影响23-25
  • 2.4 湿热因素对半导体制冷器可靠性影响25-26
  • 2.4.1 半导体制冷器封装的失效25-26
  • 2.5 本章小结26-28
  • 第3章 半导体制冷器散热特性分析28-44
  • 3.1 热分析基础28-30
  • 3.2 热端散热方式30-32
  • 3.3 制冷性能影响因素及分析32-41
  • 3.3.1 冷热端换热热阻的影响33-38
  • 3.3.2 电流和热端热阻的耦合影响38-41
  • 3.4 本章小结41-44
  • 第4章 实验介绍与验证44-54
  • 4.1 实验平台的介绍44-46
  • 4.2 实验方案46-49
  • 4.3 实验与模拟的分析与验证49-51
  • 4.3.1 散热强度对制冷性能的影响49-51
  • 4.3.2 实验结果与数值模拟的比较51
  • 4.4 本章小结51-54
  • 第5章 封装材料的吸湿性能研究54-62
  • 5.1 潮湿扩散理论54-56
  • 5.2 吸湿理论56-57
  • 5.3 吸湿过程的ANSYS有限元计算和分析57-60
  • 5.4 本章小结60-62
  • 第6章 结论与展望62-64
  • 6.1 结论62-63
  • 6.2 展望63-64
  • 参考文献64-70
  • 攻读硕士期间已发表的论文70-72
  • 致谢72

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