冷端

根据原子扩散的热力学原理，金属材料组元的化学位变化将驱使原子发生扩散运动，使扩散原子沿着化学位降低的方向进行扩散。其中，热量高的一端称为热端（一般温度较高）；热量低的一端称为冷端（一般温度较低），热端与冷端之间有一个温度梯度，进行能量的迁移。

热迁移的理论知识

根据固态相变理论，当处于恒温恒压状态时，一种异相的二元固溶体或合金经过退火处理后会转变为同相固溶体；反之当处于恒压但存在温度梯度的状态下时，该同质二元合金经退火处理后会变成异相合金，这种由同相到异相的材料相变过程称为Soret效应。例如，成分均匀的二元固溶体在其两端施加温度梯度，当固溶体两端所承受的温度梯度大于阈值温度梯度时，产生的原子迁移过程就将导致固溶体的成分不均匀。二元固溶体中一个组元快速从热端扩散到冷端，导致该组元在热端被耗尽，这样的原子扩散过程就是所谓的热迁移效应。由于异相合金的自由能比同相合金的自由能高，因此热迁移的过程实际上就相当于是一个从低能态向高能态转变的能量传递过程。

热端与冷端

热迁移的微观机制及宏观现象

人们对于热迁移效应引起的原子扩散的微观理论及机制的研究还不完全，因此现阶段对热迁移效应研究的假设条件可以等同于电迁移效应，即适用于电迁移效应的原子扩散微观机制也同样适用于热迁移效应。当金属两端只有温度梯度存在时，金属热端电子的热振动能量高于冷端电子的热振动能量，由此在金属两端将形成由温度梯度而导致的电子所拥有的能量梯度，该能量梯度将驱使电子由热端向冷端定向迁移。在大量自由电子向冷端迁移的过程中，将会与焊点内部的原子或离子发生非弹性碰撞，并将一部分动量转移给原子或离子，使其发生从热端向冷端的定向迁移。由于粒子间发生非弹性碰撞导致动量交换，而产生的质量转移驱动力通常称为传输热*Q，可以表示为原子在迁移前后所拥有的热量（或热焓）差值。

大部分焊点组元在热迁移效应的作用下原子迁移的方向通常都与温度梯度下降的方向一致。在大量原子的不断作用下，互连微焊点中的原子将产生宏观的热迁移现象。当焊点组元原子在温度梯度的作用下，由热端向冷端定向迁移并且在冷端界面附近积累时，将造成互连微焊点冷端的原子产生晶格压应力，在连续不断作用的晶格压应力下，焊点冷端界面附近会产生凸起，甚至产生塑性变形等现象。而在焊点热端，随着界面IMC的不断溶解，原子迁移到冷端，使热端界面附近的空位浓度不断增多，原子的间距增大，从而产生晶格拉应力，在晶格拉应力的持续作用下在焊点热端界面附近诱发空洞，甚至形成裂纹。

热迁移的驱动力

根据原子扩散的热力学原理，金属材料组元的化学位变化将驱使原子发生扩散运动，使扩散原子沿着化学位降低的方向进行扩散。

半导体制冷热端散热方式

半导体制冷过程中热端散热方式的好坏将直接影响半导体制冷器的制冷性能。冷热端的温差对热量的传递有很大影响，如果两端散热效果不好，会导致温差增大，从而降低半导体制冷系统的制冷量。半导体制冷系统工作时，热量不断地从冷端传到热端，热端的热量只有及时排走，冷热端才能保持较小的温差，冷端才能持续制冷。半导体制冷热端的散热方式主要有：自然对流散热、强制对流散热、水冷散热、相变散热和热管散热。散热方式的不同，其散热效果差别比较大，已下就这几种散热方式进行介绍。

自然对流散热

自然对流散热需要散热片作为热交换器，通过自然通风，将热量散发到环境中去，一般应用在小型半导体制冷系统中或要求低噪音的系统中。半导体制冷器冷端与周围环境进行热交换，并将吸收的热量通过热电效应传递到热端，热端热量再经过金属的导热传递到散热片，散热片的热量利用空气的自然对流散发到周围环境中，实现散热目的。

自然对流散热换热系数小、功率低，使用方便、噪音小，但其缺点是要达到比较好的散热效果，需要较大的散热面积，散热效果差。在选用自然对流散热时一般除了考虑有无噪音、体积的大小外，还要看所研究系统热端的温度，如果热端温度远大于环境温度，则半导体制冷系数会比较低；如果热端温度和环境温度相差不大或接近时，半导体制冷效果会比较差，这两种情况下尽量不要使用此种散热方式。

强制对流散热

强制对流散热是在自然对流的散热片上加一个制冷风扇，这样其对流换热系数比自然对流时大大提高，在同样的散热功率下，其所需散热片面积小。由于此种散热方式散热效果较好，得到了广泛的应用，主要应用于冷风机、小型空调器、半导体冰箱等。强制对流散热的散热器设计要考虑很多因素如：散热器结构尺寸、表面粗糙度、黑度和风扇转速等。需要说明的是，风扇在运转时会产生噪音，在需要静音的场合强制对流散热会受到限制。

水冷散热

水冷散热可用在小型半导体制冷器中，由于小型半导体制冷器功率小，产热量少，少量水流过水箱就可达到冷却效果。在一些较大功率的半导体制冷器中如半导体空调器，为了能够提高换热系数以达到比较好的冷却效果，可把水箱分成若干流道并在其中加上散热翅片来强化传热。水冷散热效率虽然很高，但是水箱表面容易积垢，会使传热性能下降，并且水冷散热要求有一定的水源不方便移动，这也限制了它的使用范围。

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