（来源：科普中国）

转自：科普中国

电子元器件是日常生活、航空航天、军工、信息安全等行业发展进步的关键。随着电子器件集成度提高及5G、6G时代的到来，芯片过热失效已成为制约电子元器件发展的关键瓶颈问题。

统计表明，55%的芯片失效来自于热失效。然而，目前主流的风冷散热技术受制于固-气接触较低的对流换热系数（< 100 W·m⁻²·K⁻¹）散热速率无法进一步提升。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M03组博士生林源在胡凤霞研究员、王晶副研究员和沈保根院士共同指导下，联合西班牙塞维利亚大学维克托里诺·弗兰科（Victorino Franco）教授等合作者，利用混合式回热新原理、高导热固体代替液体进行回热的理念，设计并搭建了国际上首个面向热管理的全固态磁卡制冷器件。

该器件由多片磁卡材料片组成的制冷层和多片高导热材料片组成的回热层构成，两层在往复运动的过程中通过层间热传导形成稳定的温度梯度，实现制冷（图A）。

（A）磁卡材料（MCM）片组成的制冷层和高导热材料片（HTCM）组成的回热层，红色箭头表示热流方向；（B）全固态磁卡制冷器件示意图，左上插图为微伺服电机，右上插图为PT-1000热电阻；（C）该器件制冷温跨测试结果；（D）微型电扇及其热管理性能测试示意图；（E）该器件热管理性能测试结果，插图为该器件和相同功率电扇的换热系数对比；（F）该全固态磁卡制冷器件热管理性能与其他知名全固态卡制冷器件及风扇的对比。

利用3D打印制作轮齿结构，线切割制作适宜尺寸的制冷/回热片，Arduino编程控制实测总功率为0.2 W、尺寸为2 cm × 2 cm × 1 cm的2个微伺服电机实现制冷层和回热层的往复运动（图B及其插图）。使用总质量约为0.2 g的2片尺寸为3 mm × 5 mm × 1 mm的Gd片，在约0.35 Hz的工作频率下，实验测得器件换热系数达336 W·m⁻²·K⁻¹（图E及其插图），是市场上购买的同样输入功率~ 0.2 W专门用于笔记本电脑和芯片散热设计的微型风扇AD0205LB-K50（2.5 cm × 2.5 cm × 0.6 cm）（图D）的强制对流换热系数94.7 W·m⁻²·K⁻¹的3.5倍（图E插图），并超过目前《自然》（Nature）和《科学》（Science）上报道的所有全固态卡制冷器件（图F）。

这意味着，在只考虑产热的理想情况下，使用该磁卡制冷器件替代电扇为电子器件散热，有望使芯片在尺寸不变的情况下工作功率提升3倍，从而提高芯片集成度和算力。

此外，由于磁卡材料较高的热导率（Gd ~ 10 W·m⁻¹·K⁻¹），该器件只需较少的级联数即可实现较大的换热系数h和面制冷功率W，结构简单，具有高的单位级联换热系数h/n = 168 W·m⁻²·K⁻¹，以及优异的单位级联面制冷功率W/n = 0.36 W cm⁻² @ Tₒ-Tₑ = 20 K，同样超过了上述《自然》（Nature）和《科学》（Science）报道的所有全固态卡制冷器件（图F）。

这项工作利用高导热固态换热介质和混合式回热模式，搭建出了可为电子器件提供点对点有效热管理的首个全固态磁卡制冷器件，实验证明了全固态磁卡制冷器件在热管理中的巨大应用潜力及工程可行性，为电子器件热管理提供了一种新方法，也为磁卡制冷提供了一条新的发展路径。