陶瓷基板用于精密半導(dǎo)體制冷片封裝的優(yōu)勢(shì)

半導(dǎo)體制冷片是一種基于半導(dǎo)體材料熱電效應(yīng)原理制冷的裝置。它由一系列電子元件（如P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體等）組成，當(dāng)電流通過這些元件時(shí)，會(huì)發(fā)生熱電效應(yīng)，產(chǎn)生冷熱差，從而使制冷片一側(cè)的溫度下降，另一側(cè)的溫度上升，實(shí)現(xiàn)制冷效果。傳統(tǒng)半導(dǎo)體制冷片通常體積較大，制冷量有限，主要用于小型制冷設(shè)備或電子器件中的溫度控制。微型半導(dǎo)體制冷片是一種新型的制冷技術(shù)，它通常是采用微電子加工技術(shù)將半導(dǎo)體材料和制冷結(jié)構(gòu)制成微米級(jí)別的微型制冷裝置，其體積小、效率高，可以實(shí)現(xiàn)更精確的溫度控制。與傳統(tǒng)的制冷片相比，微型半導(dǎo)體制冷片具有更小的尺寸和更低的功率需求，通常用于微型電子設(shè)備的散熱和溫度控制。

微型半導(dǎo)體制冷片的工作原理與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制冷片相同，只是由于其尺寸更小，需要更高的制冷精度和更好的散熱性能。帕爾帖效應(yīng)是半導(dǎo)體制冷片的理論原型，1834年法國人帕爾帖發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接觸點(diǎn)時(shí)，電子能級(jí)會(huì)發(fā)生跳躍，這種現(xiàn)象被叫做帕爾帖效應(yīng)。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。如果將熱電偶的閉合回路改成如圖所示，就可以獲得一個(gè)完全相反的現(xiàn)象，我們稱之為珀?duì)柼?yīng)。

當(dāng)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)T1和T2輸入一個(gè)電壓Vin，回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電流I。接頭A處的熱量會(huì)被吸收，從而產(chǎn)生一個(gè)微弱的制冷現(xiàn)象，而在另一個(gè)接頭B處，隨著熱量流入，溫度會(huì)升高。鑒于這個(gè)效應(yīng)是可逆的，所以如果將電流反向，熱流的方向也隨之反向。珀?duì)柼?yīng)的數(shù)學(xué)公式可以表示成：Qc或者Qh=pxy×I，其中，pxy代表兩種材料x和y的珀?duì)柼禂?shù)之差，單位是V； I是電流，單位是A；Qc和Qh分別代表制冷和加熱的速率，單位是w。隨著電流的流動(dòng)，導(dǎo)體中同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，大小可以用I2R（R是電路中的電阻）表示。這個(gè)焦耳熱效應(yīng)與珀?duì)柼?yīng)相反，將導(dǎo)致制冷器制冷效果的降低。

半導(dǎo)體制冷片的主要制冷組件是N、P兩種半導(dǎo)體材料，當(dāng)電子從低能量的P型材料流向高能量的N型材料時(shí)，電子會(huì)從低能級(jí)向高能級(jí)跳躍，這時(shí)表現(xiàn)為電子需要吸熱，從而在這個(gè)節(jié)點(diǎn)處形成冷面（制冷片的冷面）；相反當(dāng)電子從高能量的N型材料流向低能量的P型材料時(shí)，電子會(huì)從高能級(jí)向低能級(jí)跳躍，這時(shí)表現(xiàn)為電子需要放熱，從而在這個(gè)節(jié)點(diǎn)處形成熱面（制冷片的熱面）。如圖所示，制冷片是由NP型熱電材料組成的電路（一般為串聯(lián)電路）。

半導(dǎo)體精密制冷片原理圖

目前商業(yè)化的碲化鉍基熱電材料的帕爾帖效應(yīng)最為明顯，即電子能級(jí)跳躍的更高，相應(yīng)的制冷效率更高。在全世界范圍內(nèi)，普遍商業(yè)化的半導(dǎo)體制冷片還是碲化鉍基為主（以碲化鉍為基材，做不同的摻雜形成P級(jí)和N級(jí)）。

基于以上物理效應(yīng)，微型制冷片是為小尺寸和大電壓輸入應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的，采用高強(qiáng)度碲化鉍熱電材料和高導(dǎo)熱高絕緣陶瓷基板組裝而成，適合于高電壓、低電流、小尺寸的應(yīng)用場(chǎng)合。目前，微型半導(dǎo)體制冷片的技術(shù)正在不斷發(fā)展，其應(yīng)用前景也非常廣闊。微型制冷片的工藝要求非常高，主要包括以下幾個(gè)方面：

1.材料選擇：微型制冷片的材料需要滿足制冷性能、可靠性、機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性等多方面的要求。微型制冷片的封裝基板材料對(duì)其性能和穩(wěn)定性有著重要的影響，目前常用的封裝基板材料主要包括氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷等。而氮化鋁陶瓷基板由于其具有以下優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用于微型制冷片的制備中：a.熱導(dǎo)率高：氮化鋁陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率，可以更有效地散熱，從而提高微型制冷片的制冷效率。b.熱膨脹系數(shù)低：氮化鋁陶瓷的熱膨脹系數(shù)比氧化鋁低，因此更適合與制冷芯片進(jìn)行配合，可以有效減小由于熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的熱應(yīng)力和熱裂紋的問題。c.化學(xué)穩(wěn)定性好：氮化鋁陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以耐受多種酸、堿和有機(jī)溶劑等化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，從而延長(zhǎng)微型制冷片的使用壽命。d.機(jī)械強(qiáng)度高：氮化鋁陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和硬度高，不易發(fā)生破裂和變形等問題，可以保證微型制冷片的穩(wěn)定性和可靠性。

斯利通半導(dǎo)體精密制冷片陶瓷基板

2.制備工藝：微型制冷片的制備需要采用微納加工技術(shù)，如光刻、薄膜沉積、離子注入等。同時(shí)需要保證加工的精度和一致性，以及降低工藝中產(chǎn)生的缺陷和污染。斯利通陶瓷在生產(chǎn)工藝中采用先進(jìn)光刻膠膜，通過高精度曝光機(jī)對(duì)位顯影，可實(shí)現(xiàn)線路對(duì)位精度控制在±10um，線路線寬線距公差控制在10%。

3.封裝技術(shù)：微型制冷片的封裝需要保證其穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也需要考慮散熱問題。常見的封裝材料包括環(huán)氧樹脂、硅膠等。為了避免制冷性能的降低以及對(duì)制冷材料可能引起的電化學(xué)腐蝕，熱電制冷器需要隔絕潮氣。當(dāng)溫度降低到露點(diǎn)以下時(shí)，為了避免水汽滲入制冷器內(nèi)部，應(yīng)該安裝有效的防潮密封保護(hù)。這層防潮保護(hù)層應(yīng)該圍繞著熱電制冷器安裝在散熱片和被冷卻物體之間。電子級(jí)RTV硅膠可以直接用作熱電制冷器的防潮保護(hù)層。使用可變形的閉孔泡沫絕緣膠帶或薄片材料，適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合RTV來填充空隙，就可以用來在被冷卻物體和散熱器之間形成保護(hù)層。

4.測(cè)試技術(shù)：對(duì)微型制冷片的測(cè)試需要使用高精度的測(cè)試設(shè)備和技術(shù)，如電學(xué)測(cè)試、熱學(xué)測(cè)試等。熱電制冷器的失效一般分為兩種：早期失效和性能衰減。性能衰減一般是在長(zhǎng)期使用之后由于半導(dǎo)體材料性能參數(shù)的變化或者接觸電阻的增加所引起的。長(zhǎng)期在高溫下使用會(huì)引起半導(dǎo)體材料性能參數(shù)的變化從而降低制冷器的制冷性能。將熱電制冷器在很寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行持續(xù)的冷熱循環(huán)，可以看成是對(duì)制冷器進(jìn)行可靠性測(cè)試，特別是在循環(huán)過程中將制冷器的熱端溫度升高到很高的溫度。這種失效一般表現(xiàn)為早期失效，而有時(shí)也會(huì)在失效之前觀察到性能衰減。

總之，微型制冷片的制備需要高度精密和專業(yè)的加工和封裝技術(shù)，并需要多種測(cè)試手段來保證其質(zhì)量和性能。其中選擇和優(yōu)化制冷材料是關(guān)鍵因素之一?？梢詮囊韵路椒ㄖ諥.選擇合適的材料：半導(dǎo)體材料的熱電性能與其化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、摻雜濃度和載流子遷移率等因素有關(guān)。通常選擇熱電性能好、穩(wěn)定性高、成本低廉的材料。B.控制晶格缺陷：晶格缺陷會(huì)對(duì)材料的電子輸運(yùn)和熱電性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，需要對(duì)材料進(jìn)行摻雜和表面處理等方法，以控制晶格缺陷。C.提高載流子遷移率：載流子遷移率是影響半導(dǎo)體材料熱電性能的關(guān)鍵因素之一。通過控制摻雜濃度和晶格結(jié)構(gòu)等方法，可以提高載流子遷移率。D.優(yōu)化熱電模塊結(jié)構(gòu)：熱電模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以改善半導(dǎo)體材料的熱電性能。例如，通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布等方法，可以提高熱電模塊的制冷效率。E.利用納米材料：納米材料具有較高的表面積和體積比，可以提高熱電材料的能力。因此，利用納米材料來制備半導(dǎo)體材料可以提高其熱電性能。

由于微型制冷片具有體積小、高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于納米技術(shù)、傳感器、醫(yī)療設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域。比如電子設(shè)備領(lǐng)域：微型制冷片可以應(yīng)用于高性能電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)芯片、激光器等，通過控制設(shè)備的溫度，可以提高設(shè)備的性能和可靠性。光電設(shè)備領(lǐng)域：微型制冷片可以用于制冷光電探測(cè)器、半導(dǎo)體激光器等光電設(shè)備，提高其性能和靈敏度。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：微型制冷片可以用于冷凍切片技術(shù)、冷凍保存、細(xì)胞培養(yǎng)等。通過快速降溫可以減少細(xì)胞損傷，提高冷凍效果。汽車電子領(lǐng)域：微型制冷片可以用于制冷車載電子設(shè)備，如空調(diào)控制器、導(dǎo)航儀等?？梢蕴岣哕囕d電子設(shè)備的工作效率和穩(wěn)定性，同時(shí)減少汽車燃料的消耗。航空航天領(lǐng)域：微型制冷片可以用于衛(wèi)星、飛機(jī)等高空設(shè)備的制冷和溫控，提高設(shè)備的可靠性和性能。新能源領(lǐng)域：微型制冷片可以用于新能源技術(shù)，如太陽能電池板等，通過制冷可以提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，減少能量損失。

審核編輯黃宇