AI趨勢下的固態製冷（Solid-State Cooling）在5G通訊光模組雷射散熱和電子產品處理器的散熱上具有不可替代的地位

引言：隨著物聯網、邊緣運算、5G 應用的發展，AI 帶動全球算力進入高速成長期，於新一代伺服器熱設計功耗 （Thermal Design Power，TDP） 提升到接近氣冷散熱的極限，因此電子科技大廠紛紛開始測試開發新的散熱解決方案，當前AI 晶片的冷卻技術方案，除了近期最熱門的液冷散熱外，另一個值得關注的是固態製冷技術，相比氣冷、液冷，固態製冷是實現局部精確控溫的最佳選項，具有體積小、反應快、零件少等優勢，特別是電動車、半導體領域提供理想可靠的解決方案。但固態製冷技術在材料科學和製造過程的技術仍有進步空間，預期隨著市場需求驅動固態製冷技術研發創新。本期報導帶您關注「固態製冷」在微電子或晶片製造領域，近期有哪些值得關注的發展趨勢。

 

博大國際視野：前瞻趨勢 / 固態製冷

內容摘錄：固態製冷專利熱潮來襲！圖1歷年專利申請趨勢，自2018年起熱電致冷的專利申請成長相當明顯，隨著AI 帶動全球算力進入高速成長，高算力晶片普及帶動散熱技術需求高漲。固態製冷技術，因其緊湊、響應快、精準控溫和能源效率高等特點，成為解決微電子熱管理問題的理想方案。本文從專利角度調查，圖2近五年專利申請人排名與分布，在熱電致冷（Thermoelectric Cooling）和電熱卡效應（Electrocaloric Effect）兩種固冷技術，中國的專利申請貢獻全球專利高達八成，其它還有美國、日本和韓國。固冷技術主要專利申請人包括中國科學院(49)、Ferrotec(48)、LG Innotek(18)和中國電子科技集團(18)等。

Ferrotec（USA） Corporation，其 2018 年核准的 US 9929331 專利，提出了整合式熱電力流體熱交換器（Integrated thermoelectric-powered fluid heat exchanger），展示了熱電模組與機械驅動系統耦合的新思路。LG Innotek Co., LTD. 2024 年核准的 US 11980101 熱電元件專利，聚焦超薄化與高整合設計，輔助 5G 微基地台與光模組的微型化冷卻。中國科學院，其CN 102403445A發明，透過InSb摻雜Bi₂Te₃基材料，使ZT值提升至1.108，為高性能熱電器件的規模化生產打下材料基礎。伴隨專利佈局向薄膜化、級聯化及IC封裝整合方向演進，熱電致冷晶片（Thermoelectric Cooling Chips, TEC）技術正加速從實驗室走向工業化，未來將在AI伺服器、微電子裝置等場景中大展身手。

固態製冷（Solid-State Cooling）與傳統氣冷依靠機房空調（CRAC/CRAH）和風扇散熱不同，是一種不依賴壓縮氣體的冷卻技術，主要依賴材料本身在外部刺激下產生溫度變化來實現冷卻。與氣冷、液冷相比最大優勢在於能夠實現局部精確的控溫，根據 2024 年 KBV research 市場預估從 2024 年到 2031 年全球固態製冷市場將達到 20 億美元，複合年增長率為 13.2%。

固態製冷技術以其高能源效率和環保特性，逐漸取代傳統的壓縮機製冷系統，尤其在電子、汽車、航太和醫療設備領域，對節能和減少碳排放的需求推動了固態製冷技術的應用。此外，隨著晶片尺寸的縮小和整合度的提高，局部高熱流密度成為限制性能提升的關鍵因素。固態製冷技術，因其緊湊、響應快等特點，成為解決微電子熱管理問題的理想方案。

固態製冷應用市場介紹：

●            汽車產業：固態製冷運作所需的機械運動零件很少，對於長期運作可靠性更高，且製冷過程幾乎無噪音的優勢，特別適合應用在冷卻電動車中的電子元件、電池和熱管理系統。或是應用於冷卻座椅、杯架和手套箱，提高乘客的舒適度。

●            半導體與消費性電子：固態製冷元件體積小、反應快，以及精準的控溫，能解決電子產品小型化推動在處理器、光電元件、雷射模組等對局部高效能微型散熱的需求，如電腦、伺服器、電信設備和其他電子設備中的電子元件等，提高設備效能和可靠性。

●            工業製造：固態製冷不需要依賴冷媒（氟利昂）壓縮氣體進行冷卻，且能夠提供精確的溫度控制並降低能耗，是工業製造節能環保的解決方案之一。例如用於冷卻雷射、感測器和製造設備，以保持穩定的工作溫度並提高效率。

延伸報導：[博大智權] AI趨勢下的流體液冷技術發展

固態製冷主要的五個製冷機制：

技術	外部刺激	原理	優勢	應用領域	固態製冷的市占率
熱電致冷（TEC, Thermoelectric Cooling）	電流	通電流時，電子在不同材料界面轉移時吸收或釋放熱量。	- 無運動部件、可靠性高 - 反應快，可精準控溫（±0.1°C）適合微型、局部冷卻 - 易於整合微型化冷卻模組 - 可雙向運作（冷卻/加熱）	電腦、伺服器機房冷卻、 CPU/GPU冷卻模組、太空艙熱控、光模組溫控	商業化成熟
磁卡效應（MCE, Magnetocaloric Effect）	磁場	材料在外加磁場下，磁矩趨於有序（降低熵），導致材料升溫；撤除磁場則磁矩無序化，材料降溫。	- 高能效（與現有壓縮製冷技術性能相當，適合中溫區） - 環保無氟利昂	冰箱、酒櫃、資料中心、高端實驗室冷卻	示範階段
電熱卡效應（ECE, Electrocaloric Effect）	電場	是一種熱-電耦合現象， 當極性電介質在外加電場作用下，其極化狀態會發生變化，造成材料的熵變，導致溫度變化。	- 超薄可製成微米級薄膜 - 適合柔性/穿戴電子	微型製冷、無聲需求，如微型光電裝置、MEMS 等級冷卻	從實驗室走向小批量示範階段
彈卡效應（ECE, Elastocaloric Effect）	應力	形狀記憶合金在外力作用下變形、其內部結構相變，產生溫變；卸載應力可實現可逆冷卻。	- ΔT 高（20–30°C） - 高效率、動態響應快 缺點機械壽命受限，適合迴圈數較低或單次使用場景。	高功率製冷（點焊頭、雷射二極體）	實驗階段
壓卡效應（BCE, Barocaloric Effect）	壓力	在壓力變化下導致材料內部有序度（熵）變化，從而產生熱或冷的效應。	- 可望與電熱或磁卡疊加		實驗階段

 

壹、     解決微電子與晶片製造熱管理問題的技術選項：

固態製冷技術在晶片製造熱管理的應用中，以熱電致冷（Thermoelectric Cooling）、電熱卡效應（Electrocaloric Effect） 表現出較好的應用性。熱電致冷：憑藉成熟的工藝、可薄膜化集成與精準控溫，在當前微處理器與功率器件散熱中最具實用性；電熱卡效應：則因超薄薄膜與高速響應的優勢，對未來晶片上及 MEMS 級微冷卻極具潛力；而磁卡效應與彈卡效應因驅動場（磁場/機械應力）與系統整合複雜度，目前尚難直接應用於晶片級散熱。

●            熱電致冷：成熟度最高，已有商業化TEC晶片與模組。可製成薄膜或微米級熱電偶，直接整合於晶片封裝或散熱凸點中，實現對熱點±0.1 °C 等級精準控溫 （參考資料Globalsmt）。

優點：反應快、易驅動、整合度高、精準控溫。

應用：CPU/GPU、ASIC 測試、光電裝置微冷卻。

●            電熱卡效應：薄膜化優勢明顯，薄膜可直接沉積於晶片表面或封裝基板。ΔT可達 5–15 K（PbSc₀.₅Ta₀.₅O₃、PLZT 等），響應時間可低至毫秒級。理論 COP （Coefficient of Performance, 性能係數） 可高於10，但材料製備與界面熱阻需最佳化；目前處於樣機展示與小批量試製階段。

優點：反應快、超薄、可撓性，適合用於 MEMS 等級微冷卻。

應用：從實驗室走向小批量示範階段，材料製備與大面積整合技術尚在發展。

 

運用 Derwent Innovation 全球專利資料庫，檢索「熱電致冷」與「電熱卡效應」歷年申請的專利數量趨勢來看。從上圖，可以觀察到兩種固態製冷的專利申請皆呈現逐年增長的趨勢，特別是在2018年以後，熱電致冷成長相當明顯；主要是歸因於材料性能突破（註1）、資料中心與AI算力激增、自動駕駛/電動車與IoT終端需求增長所帶動的創新 （2022/06 MAM）。從數量來比較兩種固態製冷技術，以熱電致冷被研究的最多，專利數量約是電熱卡效應的十倍；預期近年固態製冷的應用示範技術，仍會以熱電致冷為核心，帶動固態製冷技術的應用取代能源效率較低的氣冷市場，而熱電致冷的成長也將帶動其他潛力的技術的成長。

註1：早期Bi₂Te₃ 合金 zT ≈1，奈米化+摻雜後 zT 可提升至1.2–1.8，甚至2.4，使TEC模組在室溫下具有可觀的冷凍能力與能源效率比，顯著提升了其熱電性能（ZT）及可靠性，包括降低晶格熱導率、優化電子輸運和界面工程與多層結構，使得熱電致冷（TEC）技術從實驗室走向工業化應用成為可能 （資料來源Science Direct）。而後更多新型高效能熱電材料（如Mg₃Bi₂基合金）被研究出來，使TEC模組的導熱電性能指數zT顯著提高，理論上可實現更大ΔT和更高COP （資料來源Science）。此外，奈米結構與薄膜技術成熟，使TEC元件可微米級集成，直接沉積於IC封裝或散熱凸點上。

 

 

 

貳、     進一步檢視，「熱電致冷」與「電熱卡效應」專利申請權人。從上圖，可以觀察到近五年中國的專利申請相當活躍，全球約八成的專利申請來至於中國，其他國家有美國、日本和韓國。近五年亞洲地區專利申請活躍的廠商，在熱電致冷技術包括 Ferrotec（日商）、LG Electronics （韓國）、中國電子科技（中國）等；在電熱卡效應技術包括 海爾智能（中國）、村田製作所（日本）等。相關資訊補充如下：

●            Ferrotec是全球領先的熱電致冷模組供應商，產品廣泛應用於半導體、光通信、醫療設備等高精度溫控領域。​其 TEC 模組以高可靠性和多樣化尺寸著稱，涵蓋單級、雙級、微型和高功率等多種型號，適用於從 MEMS 元件到伺服器冷卻等多種應用。​此外，Ferrotec 也提供與 TEC 搭配使用的冷水機和磁性流體等產品，形成完整的熱管理解決方案。​目前，Ferrotec 正積極拓展其在汽車電子、5G 通信和 AI 晶片等新興市場的應用 （資料來源Ferrotec）。

●            LG Electronics 近年來在熱電半導體技術方面取得顯著進展。​其子公司 LG Innotek 開發出基於奈米多晶材料的熱電半導體元件，利用帕爾帖效應實現高效的熱能轉換。​這些元件可應用於家電產品中，降低噪音並縮小體積，最高可減少40%的體積。​在汽車和船舶領域，這些元件能將廢熱轉化為電能，提高能源效率，減少油耗和廢氣排放。​此外，LG 近期在美國獲得首筆大型資料中心散熱系統合約，提供超過100台冰水機，總冷卻能力達5萬冷凍噸，顯示其在AI散熱市場的積極布局。（2024/05/29經濟日報）

●            中國電子科技集團 旗下的「中科玻聲」公司在熱電半導體技術方面取得突破，完成數千萬元人民幣的Pre-A輪融資。​該公司專注於提升熱電材料的性能，實現P型材料zT值達到1.3，N型材料zT值達到1，接近國際先進水平。​此外，還開發出厚度僅0.3毫米的柔性熱電器件，適用於可穿戴設備等對柔性有高要求的應用場景。​中科玻聲的產品已進入吉利、零跑、奇瑞、紅旗、廣汽等多家主流車企的供應鏈，並積極拓展光通信和醫療器械等高效溫控需求領域。（2024/11/04華盛通）

 

參、     上圖為近5年專利申請人前十名申請的專利佔全球專利比重，圖左為「熱電致冷」前十名專利申請數僅佔16%，而「電熱卡效應」的佔比高達51%。由於熱電致冷的技術和市場已較為明確，市場上有較多追隨者貼緊布局；相對的電熱卡效應仍在示範應用階段，對於未來能否在市場上落地有較大不確定性，使得參與者較少。值得注意的是，中國學研單位近幾年積極布局這些前瞻技術，隨著時間推移中國在固態製冷技術的影響力將不容忽視，特別是在電熱卡效應這種有超薄優點，相比熱電致冷更有潛力應用在晶片製造領域的技術。

 

近期中國有哪些值得注意的高影響力專利和公司介紹如下：

        2020-2025 Thermoelectric Cooling High Technology Impact Patent

說明：本報導採用的高影響力專利，係以Derwent Innovation的影響力指標計算

      2020-2025 Electrocaloric Effect High Technology Impact Patent

說明：本報導採用的高影響力專利，係以Derwent Innovation的影響力指標計算

 

 

 

國內固態製冷研究團隊&計畫

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國立交通大學電子物理學系▶ 陳煜璋、簡紋濱

l   新穎低維度材料之熱電與電子傳輸之基礎物理探索

l   單分子與仿生材料接面系統的負電容與熱電性質

l   不對稱奈米接面系統的電流輸運、熱電效應與侷域冷卻現象

國立清華大學材料科學工程學系▶ 廖建能

l   超薄型熱電致冷/均溫板整合散熱系統開發

l   高功率薄膜熱電致冷器的設計製作及特性研究

l   奈米薄膜型熱電致冷元件開發奠基研究

國立台灣大學凝態科學研究中心▶ 張之威、周方正

l   新穎材料開發與單晶成長核心設施

l   探索新維度之熱電效應與熱傳導現象

l   奈米聲子學---能源的新探索與感測的新極限

長庚大學電子工程學系▶ 王哲麒、李季青

l   反鐵電電熱散熱架構於積體電路運算系統的開發

國立臺灣大學機械工程學系暨研究所▶ 陳志軒

l   固態冷媒材料之開發研究－形狀記憶合金之彈熱效應

國立中央大學化學工程與材料工程學系▶ 吳子嘉

l   應用於電子構裝晶片之薄膜熱電致冷模組

資料來源：GRB政府研究資訊系統

 

其他參考資料：

1.      Thin film thermoelectric HANDBOOK (2012/12/04 Mouser Electronics)

2.      Embedded thermoelectric coolind (2007/10/27 SMTNet)

3.      Patent landscape of not-in-kind active cooling technologies between 1998 and 2017 (2021/02 ResearchGate)

4.      Analysis of Cooling Technologies in the Data Center Sector on the Basis of Patent Applications (2024/05/31 MDPI)

5.      A comprehensive review on the effects of doping process on the thermoelectric properties of Bi2Te3 based alloys (2022/05/25 Science Direct)