珀?duì)柼K是如何提高可靠性和熱性能？

熱電冷卻已迅速成為適用于多種類型電子設(shè)備的實(shí)用技術(shù)。當(dāng)今市場中的設(shè)備都非常緊湊、高效，再加上先進(jìn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，以往導(dǎo)致這種設(shè)備難以大行其道的傳統(tǒng)可靠性問題終于迎刃而解。

保持激光二極管或圖像傳感器等電子元件溫度穩(wěn)定至關(guān)重要，這樣可以確保高功率激光器、實(shí)驗(yàn)室參考系、分光鏡或夜視系統(tǒng)等儀器能夠正常運(yùn)行。在某些情況下，可能需要冷卻到環(huán)境溫度以下。將散熱器和強(qiáng)制氣流結(jié)合起來使用，這種簡單的被動(dòng)冷卻方式很難滿足這些需求；它們無法快速、精確地響應(yīng)熱負(fù)載的變化，而且冷卻依賴于熱源溫度高于環(huán)境溫度時(shí)的熱梯度。

作為常用的被動(dòng)式冷卻技術(shù)的替代方案，熱電冷卻具有很多優(yōu)勢，包括精確的溫度控制和更快速的響應(yīng)、無風(fēng)扇工作能力（取決于散熱器的性能）、更低的噪音、更少的空間、更低的功耗，以及能夠?qū)⒃鋮s到環(huán)境溫度以下。

珀?duì)柼涸砗徒Y(jié)構(gòu)

珀?duì)柼膬?nèi)部結(jié)構(gòu)包括采用 N 型和 P 型碲化鉍材料制造的半導(dǎo)體芯片。這些芯片通過電氣連接串聯(lián)在一起，但采用并聯(lián)式熱力學(xué)排列，以便在模塊的高溫和低溫陶瓷表面之間實(shí)現(xiàn)最佳的傳熱性能（圖 1）。

圖 1：通用珀?duì)柼膬?nèi)部結(jié)構(gòu)（圖片來源：CUI, Inc.）

熱電冷卻利用了珀?duì)柼?yīng)：當(dāng)電流通過時(shí)，兩種不同導(dǎo)電體接合處的熱量會(huì)被吸收或排出。熱電模塊在兩塊高導(dǎo)熱陶瓷板之間夾著一個(gè)珀?duì)柼瑫r(shí)還配有一個(gè)電源，能夠有效地將器件的熱量從一塊陶瓷板傳遞到另一塊陶瓷板上。此外，只需反轉(zhuǎn)電流的流動(dòng)方向，即可更改熱流方向。

施加直流電壓會(huì)導(dǎo)致正負(fù)電荷載體吸收一個(gè)基底表面散出的熱量，然后將其傳遞并釋放到另一側(cè)的基底上。因此，吸收了能量的表面會(huì)降溫，而釋放了能量的另一面會(huì)升溫。

構(gòu)建冷卻裝置

為構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的熱電冷卻裝置，系統(tǒng)中內(nèi)置了珀?duì)柼K，這種模塊通常由一個(gè)高導(dǎo)熱率的金屬塊（例如鋁合金）和一個(gè)鰭式散熱器構(gòu)成（圖 2）。金屬塊用于將要冷卻的器件（例如激光二極管或圖像傳感器）連接到冷卻元件的冷面。應(yīng)從有助保持平整的角度選擇金屬塊的厚度，以確保與珀?duì)柼睦浒褰⒁恢碌臒徇B接，但請注意，過厚會(huì)產(chǎn)生不必要的熱慣性。將散熱器連接到珀?duì)柼牧硪幻妫ㄓ址Q熱板），以便將提取的熱量散發(fā)到環(huán)境中。在每個(gè)面上涂抹薄薄的一層導(dǎo)熱膏或其他散熱界面材料 (TIM)。

圖 2：組裝好的可用來構(gòu)建冷卻系統(tǒng)的珀?duì)柼?、鋁塊和散熱器（圖片來源：CUI）。

選擇模塊和控制器

完整的熱電冷卻系統(tǒng)包括珀?duì)柼蜕崞骺偝?、用于監(jiān)測熱板和冷板溫度的溫度傳感器，以及一個(gè)用于確保供應(yīng)正確的電流以使模塊保持所需溫度差的控制器單元。

選擇控制器和珀?duì)柼K時(shí)，應(yīng)確保被冷卻元件的熱量以及所供應(yīng)電流焦耳熱效應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量能夠排放出來，而且不超過珀?duì)柼K規(guī)格書中所示的最大熱容量 (Qmax) 或最大溫差 (ΔTmax)。還應(yīng)考慮最大溫差和最大電流，以確保所選的珀?duì)柼K能夠在以適當(dāng)?shù)碾娏鬟\(yùn)行時(shí)保持所需的溫差。此電流通常應(yīng)小于最大額定電流的 70%，以確保焦耳熱效應(yīng)始終在可控的極限值以內(nèi)，而且系統(tǒng)能夠在不發(fā)生熱擊穿的情況下響應(yīng)冷板溫度的快速升高。

計(jì)算電流和吸熱能力

如果所需的溫差和電源工作電壓已知，則可以使用規(guī)格書中所示的功能圖計(jì)算模塊的散熱量和工作電流。

例如，當(dāng)熱板溫度為 (Th) 50°C、冷板溫度為 10°C、供應(yīng)的電壓為 12 V 時(shí)，可以利用圖 3 的功能圖找出傳遞的熱量和供應(yīng)的電流。

圖 3：使用規(guī)格書功能圖時(shí)的設(shè)定值計(jì)算方法（圖片來源：CUI）。

要確定工作電流和吸熱能力：

1. 計(jì)算 ΔT：

   ΔT = Th- Tc- 50°C - 10°C = 40°C

2. 使用 Th= 50°C 的功能圖找出電流，以便在所供應(yīng)的電壓下保持 ΔT = 40°C：

   由圖可知，I = 3.77 A

3. 從功能圖找出 I = 3.77 A、ΔT = 40°C 時(shí)傳遞的熱量：

   由圖可知，Qc= 20.75 W

珀?duì)柼K中的熱疲勞

熱電冷卻器可能會(huì)出現(xiàn)熱疲勞。在以傳統(tǒng)方法制造的器件中，電氣互連器件（銅）與 P/N 半導(dǎo)體元件之間一般采用普通的焊接結(jié)合，而互連器件與陶瓷基底之間則采用焊接結(jié)合或燒結(jié)結(jié)合（圖 4）。這些結(jié)合技術(shù)通常可以形成牢固的機(jī)械結(jié)合、熱結(jié)合和電氣結(jié)合，但它們?nèi)狈`活性，而且在經(jīng)歷普通珀?duì)柼K運(yùn)行時(shí)經(jīng)常遇到的反復(fù)受熱和冷卻循環(huán)時(shí)，會(huì)老化并最終失效。

圖 4：傳統(tǒng)珀?duì)柼K的焊接結(jié)合和燒結(jié)結(jié)合（圖片來源：CUI）。

CUI 發(fā)明了適用于珀?duì)柼K的 arcTEC? 結(jié)構(gòu)，它可以消除熱疲勞效應(yīng)。arcTEC 結(jié)構(gòu)將模塊冷面上的銅電氣互連器件與陶瓷基底之間的傳統(tǒng)焊接結(jié)合替換為導(dǎo)熱樹脂。這種樹脂可以在模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)彈性結(jié)合，允許反復(fù)熱循環(huán)期間發(fā)生膨脹和收縮。此樹脂的彈性可減小模塊內(nèi)的應(yīng)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的熱連接和出色的機(jī)械結(jié)合，且其性能不會(huì)隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)明顯下降。

此外，專用的 SbSn（銻-錫）焊接取代了 P/N 半導(dǎo)體元件與銅互連器件之間通常使用的 BiSn（鉍-錫）焊接（圖 5）。SbSn 的焊接熔點(diǎn)為 235°C，比 BiSn 138°C 的焊接熔點(diǎn)更高，因此提供了出色的熱疲勞性能和更高的剪切強(qiáng)度。

圖 5：arcTEC 結(jié)構(gòu)改進(jìn)提高了可靠性和熱性能（圖片來源：CUI）。

提高可靠性和熱性能

為進(jìn)一步提高可靠性，arcTEC 結(jié)構(gòu)模塊的 P/N 元件由優(yōu)質(zhì)硅材料制成，其尺寸最多可達(dá)到其他模塊所采用 P/N 元件的 2.7 倍。這樣可以確保更一致的冷卻性能，避免可能導(dǎo)致使用壽命縮短的溫度波動(dòng)。圖 6 通過比較傳統(tǒng)珀?duì)柼K（上方）與 arcTEC 結(jié)構(gòu)模塊（下方）的紅外圖像，顯示了溫度分布的影響。arcTEC 結(jié)構(gòu)模塊的優(yōu)異 P/N 元件還有助于將冷卻時(shí)間縮短 50% 以上。

圖 6：arcTEC 結(jié)構(gòu)模塊中溫度分布改進(jìn)（下方）與傳統(tǒng)模塊的溫度分布（上方）對比（圖片來源：CUI）。

通過分析經(jīng)歷熱循環(huán)的珀?duì)柼K的內(nèi)阻變化，可以證明 arcTEC 結(jié)構(gòu)模塊的預(yù)期壽命得到了延長。由于珀?duì)柼K內(nèi)的電阻變化與結(jié)合失效密切相關(guān)，因此分析這一趨勢可以有效地預(yù)測使用壽命。圖 7 中顯示的結(jié)果進(jìn)一步證明，arcTEC 結(jié)構(gòu)可以顯著延長預(yù)期壽命。

圖 7：通過監(jiān)測電阻的變化來評估可靠性（圖片來源：CUI）。

總結(jié)

盡管一代又一代人已經(jīng)了解熱電冷卻的物理特性，但適用于商用電子產(chǎn)品的珀?duì)柼K直到最近才在市場中出現(xiàn)。它帶來很多優(yōu)勢，包括更快的響應(yīng)速度、更高的溫度穩(wěn)定性，以及控制像 IC、激光二極管或傳感器這樣的關(guān)鍵器件的溫度時(shí)擁有更大的靈活性。隨著設(shè)計(jì)師們越來越熟悉這些產(chǎn)品及其設(shè)計(jì)技術(shù)，預(yù)計(jì)珀?duì)柼K會(huì)出現(xiàn)在越來越多的新應(yīng)用和創(chuàng)新應(yīng)用中。

當(dāng)選擇珀?duì)柼K以及設(shè)計(jì)控制電路以使模塊在其熱限值內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)，務(wù)請小心處理。如今最先進(jìn)的珀?duì)柼K都具有靈活的內(nèi)部互連器件和高純度 P/N 芯塊，因此進(jìn)一步提高了熱響應(yīng)能力和可靠性。