基本介紹
- 中文名：冷端
- 外文名：cold end
- 學科：熱力學
- 原理：原子擴散
- 擴散動力：溫度梯度
- 特點：熱量較低
熱遷移的理論知識,熱端與冷端,熱遷移的微觀機制及巨觀現象,熱遷移的驅動力,半導體製冷熱端散熱方式,自然對流散熱,強制對流散熱,水冷散熱,
熱遷移的理論知識
根據固態相變理論，當處於恆溫恆壓狀態時，一種異相的二元固溶體或合金經過退火處理後會轉變為同相固溶體；反之當處於恆壓但存在溫度梯度的狀態下時，該同質二元合金經退火處理後會變成異相合金，這種由同相到異相的材料相變過程稱為Soret效應。例如，成分均勻的二元固溶體在其兩端施加溫度梯度，當固溶體兩端所承受的溫度梯度大於閾值溫度梯度時，產生的原子遷移過程就將導致固溶體的成分不均勻。二元固溶體中一個組元快速從熱端擴散到冷端，導致該組元在熱端被耗盡，這樣的原子擴散過程就是所謂的熱遷移效應。由於異相合金的自由能比同相合金的自由能高，因此熱遷移的過程實際上就相當於是一個從低能態向高能態轉變的能量傳遞過程。
熱端與冷端
根據原子擴散的熱力學原理，金屬材料組元的化學位變化將驅使原子發生擴散運動，使擴散原子沿著化學位降低的方向進行擴散。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溫度梯度，進行能量的遷移。
熱遷移的微觀機制及巨觀現象
目前，人們對於熱遷移效應引起的原子擴散的微觀理論及機制的研究還不完全，因此現階段對熱遷移效應研究的假設條件可以等同於電遷移效應，即適用於電遷移效應的原子擴散微觀機制也同樣適用於熱遷移效應。當金屬兩端只有溫度梯度存在時，金屬熱端電子的熱振動能量高於冷端電子的熱振動能量，由此在金屬兩端將形成由溫度梯度而導致的電子所擁有的能量梯度，該能量梯度將驅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程中，將會與焊點內部的原子或離子發生非彈性碰撞，並將一部分動量轉移給原子或離子，使其發生從熱端向冷端的定向遷移。由於粒子間發生非彈性碰撞導致動量交換，而產生的質量轉移驅動力通常稱為傳輸熱*Q，可以表示為原子在遷移前後所擁有的熱量（或熱焓）差值。
大部分焊點組元在熱遷移效應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，互連微焊點中的原子將產生巨觀的熱遷移現象。當焊點組元原子在溫度梯度的作用下，由熱端向冷端定向遷移並且在冷端界面附近積累時，將造成互連微焊點冷端的原子產生晶格壓應力，在連續不斷作用的晶格壓應力下，焊點冷端界面附近會產生凸起，甚至產生塑性變形等現象。而在焊點熱端，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，從而產生晶格拉應力，在晶格拉應力的持續作用下在焊點熱端界面附近誘發空洞，甚至形成裂紋。
熱遷移的驅動力
根據原子擴散的熱力學原理，金屬材料組元的化學位變化將驅使原子發生擴散運動，使擴散原子沿著化學位降低的方向進行擴散。
半導體製冷熱端散熱方式
半導體製冷過程中熱端散熱方式的好壞將直接影響半導體製冷器的製冷性能。冷熱端的溫差對熱量的傳遞有很大影響，如果兩端散熱效果不好，會導致溫差增大，從而降低半導體製冷系統的製冷量。半導體製冷系統工作時，熱量不斷地從冷端傳到熱端，熱端的熱量只有及時排走，冷熱端才能保持較小的溫差，冷端才能持續製冷。半導體製冷熱端的散熱方式主要有：自然對流散熱、強制對流散熱、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行介紹。
自然對流散熱
自然對流散熱需要散熱片作為熱交換器，通過自然通風，將熱量散發到環境中去，一般套用在小型半導體製冷系統中或要求低噪音的系統中。半導體製冷器冷端與周圍環境進行熱交換，並將吸收的熱量通過熱電效應傳遞到熱端，熱端熱量再經過金屬的導熱傳遞到散熱片，散熱片的熱量利用空氣的自然對流散發到周圍環境中，實現散熱目的。
自然對流散熱換熱係數小、功率低，使用方便、噪音小，但其缺點是要達到比較好的散熱效果，需要較大的散熱面積，散熱效果差。在選用自然對流散熱時一般除了考慮有無噪音、體積的大小外，還要看所研究系統熱端的溫度，如果熱端溫度遠大於環境溫度，則半導體製冷係數會比較低；如果熱端溫度和環境溫度相差不大或接近時，半導體製冷效果會比較差，這兩種情況下儘量不要使用此種散熱方式。
強制對流散熱
強制對流散熱是在自然對流的散熱片上加一個製冷風扇，這樣其對流換熱係數比自然對流時大大提高，在同樣的散熱功率下，其所需散熱片面積小。由於此種散熱方式散熱效果較好，得到了廣泛的套用，主要套用於冷風機、小型空調器、半導體冰櫃等。強制對流散熱的散熱器設計要考慮很多因素如：散熱器結構尺寸、表面粗糙度、黑度和風扇轉速等。需要說明的是，風扇在運轉時會產生噪音，在需要靜音的場合強制對流散熱會受到限制。
水冷散熱
水冷散熱可用在小型半導體製冷器中，由於小型半導體製冷器功率小，產熱量少，少量水流過水箱就可達到冷卻效果。在一些較大功率的半導體製冷器中如半導體空調器，為了能夠提高換熱係數以達到比較好的冷卻效果，可把水箱分成若干流道並在其中加上散熱翅片來強化傳熱。水冷散熱效率雖然很高，但是水箱表面容易積垢，會使傳熱性能下降，並且水冷散熱要求有一定的水源不方便移動，這也限制了它的使用範圍。
