一、热流密度不均的形成原因

热流密度指的是单位时间内通过单位面积的热量，它是衡量传热强度的关键指标。在半导体制冷片的应用中，热流密度的不均匀性主要源于热源分布不均。比如在电脑或服务器中，主板上的芯片功耗各不相同，有的轻微发热，有的发热严重。当使用半导体制冷技术对这类发热不均的区域进行控温时，问题随之出现：TEC和高温区域接触的部分吸热多，热流密度高；而在低温区域的部分吸热少，这会导致冷端温度分布不均匀，影响整体制冷效果。

TEC的制冷量在冷端面上基本呈均匀分布，而实际热负载却往往不够均匀。这会导致：在高发热的热点区域，制冷量不足，造成温度过热；在低发热区域，制冷量过剩，不仅浪费电能，还可能导致局部温度过低，引发结露或凝霜，带来安全隐患。这严重影响了TEC在高功率、高集成度电子器件中的应用效果。

当发热不均匀时，TEC内部原本就存在的一些“副作用”会被加剧，导致整体性能变差。

1.焦耳热效应：TEC在工作时电流会发出热量（就像电线发热一样），这一部分热量是均匀产生的。但在本就很烫的热点区域，自发热会和外部热量双双叠加，使温度升高，更难进行冷却。

2.傅里叶导热效应：正常情况下，热量会从热端自然传导回冷端（傅里叶导热）。在热点区域，这一反向热流更严重，相当于刚冷下去的热量又被传回来，抵消了制冷效果，导致降温能力下降。

3.热机械应力与可靠性问题： 冷端一边冷一边热，材料膨胀程度不同，时间久了会产生内应力。长期工作可能会引发材料疲劳、焊点开裂、界面分层等问题，严重影响模组寿命与系统稳定性。

二、针对热流密度不均的应对方案

为了缓解热流密度不均造成的影响，可以改进TEC内部的结构设计：在发热最集中的区域（比如CPU正下方）增加半导体材料的排布密度，让更多“制冷单元”集中在这里，加快热量的带走速度；在温度较低的区域减少半导体材料的数量，让部分区域不通电，只起支撑作用。这样做的好处是：热的地方冷得更快，冷的地方不会被“过度冷却”，还能通过结构传导一些热量过去，让整个冷面温度更均匀；温差小了，材料反复胀缩的应力也相应变小，TEC不容易开裂或损坏。下图1、图2分别为传统TEC和优化后的TEC。它们的顶部是小尺寸高热流密度热源，中间是导热块，底部是半导体制冷器，下方和散热器相连。

图1 传统TEC-粒子均匀排布

图2：优化后的TEC

我们将TEC的制冷单元重新排布：在发热最猛的芯片正下方增加更多制冷单元，集中“火力”降温；在右侧边无热源区域逐渐减少单元数量，最右侧单元仅作支撑作用、不通电。结果很明显：冷面温度均匀多了，最大温差降到了10°C以内，热点区域的实际温度也比之前更低了。

图2 优化后的TEC-热源下方粒子密度大

上述方案只是简单调整了热电单元的排布方式，就显著提升了冷端温度均匀性，有效降低了热点温度和整体温差。随着人工智能、5G/6G通信、高性能计算等领域的快速发展，电子设备的热流密度及差异性将继续加剧。未来，半导体制冷器也将持续升级，以应对热密度不均带来的制冷挑战。