珀耳帖模塊是冷卻應(yīng)用的理想選擇

珀耳帖（Peltier）模塊是一種相當(dāng)出色的冷卻解決方案，非常適合高密度、大功率醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，以及不能選擇強(qiáng)制空氣冷卻的制冷和密封環(huán)境。本文將為您介紹珀耳帖模塊的功能特性，以及由CUI Devices所提供的珀耳帖模塊的產(chǎn)品特色與優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)用珀耳帖效應(yīng)提供更佳的冷卻能力

珀耳帖模塊，也稱(chēng)為熱電冷卻器（thermoelectric coolers, TEC）或熱電模塊（thermoelectric modules, TEM），是一種固態(tài)器件，不包含移動(dòng)部件，在通電時(shí)會(huì)傳遞熱量，可在很寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。其理論基礎(chǔ)是來(lái)自珀耳帖效應(yīng)（Peltier effect），這個(gè)現(xiàn)象由法國(guó)物理學(xué)家Jean Peltier在1834年所發(fā)現(xiàn)。

珀耳帖模塊的結(jié)構(gòu)由正負(fù)摻雜的半導(dǎo)體材料顆粒組成，它們放置在兩個(gè)電絕緣但導(dǎo)熱的陶瓷板之間。金屬的導(dǎo)電圖案鍍?cè)诿總€(gè)陶瓷板的內(nèi)表面上，并且半導(dǎo)體小球被焊接到導(dǎo)電圖案上。這種模塊配置將所有半導(dǎo)體芯片電氣串聯(lián)和機(jī)械并聯(lián)。串聯(lián)的電氣連接實(shí)現(xiàn)了所需的熱效應(yīng)，而并聯(lián)機(jī)械配置使熱量被其中一個(gè)陶瓷板（冷側(cè)）吸收，并由另一個(gè)陶瓷板（熱側(cè)）釋放。

典型的珀耳帖模塊常見(jiàn)的故障原因

珀耳帖模塊最常見(jiàn)的故障情況是半導(dǎo)體芯片或相關(guān)焊點(diǎn)的機(jī)械斷裂，這些斷裂最初不會(huì)完全通過(guò)芯片或焊點(diǎn)傳播，并且可以通過(guò)器件串聯(lián)電阻的上升來(lái)檢測(cè)。珀耳帖模塊電阻的上升會(huì)導(dǎo)致其整體 “效率” 降低，但如果斷裂完全傳播到半導(dǎo)體芯片或焊點(diǎn)上，則可能會(huì)發(fā)生完全故障。

典型的珀耳帖模塊應(yīng)用包括將要冷卻的物體放置在模塊的冷板上，并將散熱器放在熱側(cè)。如果散熱器和要被冷卻的物體粘附在陶瓷板上，而沒(méi)有任何其他機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)支撐冷卻的物體和散熱器，則很可能發(fā)生機(jī)械故障。僅使用珀耳帖器件來(lái)支撐物體或散熱器，可能會(huì)在模塊上產(chǎn)生較大的剪切或拉伸載荷。珀耳帖模塊無(wú)法承受散熱器和冷板之間的大張力或剪切力，并且如果遇到過(guò)大的這些力可能會(huì)導(dǎo)致破裂。

在大多數(shù)應(yīng)用中，散熱器和要被冷卻的物體夾在一起，中間則有珀耳帖模塊。使用這種機(jī)械配置是因?yàn)殓甓K可以承受來(lái)自?shī)A具的大壓縮力，而夾具則吸收物體和散熱器之間產(chǎn)生的任何剪切或拉伸應(yīng)力。

盡管珀耳帖模塊可以承受較大的壓縮載荷，但散熱片和要被冷卻的物體必須在珀?duì)柼K上施以均勻的夾緊力，不均勻的夾緊力會(huì)在陶瓷板之間產(chǎn)生扭矩和壓縮力，從而導(dǎo)致機(jī)械故障。在珀?duì)柼K上產(chǎn)生壓縮夾緊力的機(jī)械約束必須小心且均勻地應(yīng)用，這樣做將最大限度地減少施加在珀耳帖模塊上的扭矩應(yīng)力，并最大限度地減少損壞的可能性。

此外，用于構(gòu)建珀耳帖模塊的陶瓷板和半導(dǎo)體顆粒具有相關(guān)的熱膨脹系數(shù)（coefficients of thermal expansion, CTE）。陶瓷和半導(dǎo)體CTE的不匹配會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)模塊被加熱或冷卻時(shí)，可能會(huì)在半導(dǎo)體芯片和焊點(diǎn)中引發(fā)斷裂。除了珀耳帖模塊的絕對(duì)溫度變化之外，器件上的熱梯度和其溫度的快速變化率也會(huì)由于CTE引起機(jī)械應(yīng)力。在極端溫度、大溫度梯度和高溫轉(zhuǎn)換速率下運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生增加的機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致器件故障。

另一方面，珀耳帖模塊中的半導(dǎo)體芯片、焊點(diǎn)和金屬化傳導(dǎo)路徑可能會(huì)受到外部污染，這也可能導(dǎo)致故障。將污染暴露降至最低的常見(jiàn)解決方案，是在兩個(gè)陶瓷板之間的模塊周邊周?chē)可厦芊饽z珠。由于材料的機(jī)械柔順性，硅橡膠是一種常見(jiàn)的密封劑，但在惡劣的操作環(huán)境中，硅橡膠可能無(wú)法有效地用作蒸汽屏障。環(huán)氧樹(shù)脂可用作存在高蒸氣濃度的周邊密封劑，然而，環(huán)氧樹(shù)脂通常不像硅橡膠那樣具有機(jī)械柔順性。

采用arcTEC?結(jié)構(gòu)的珀耳帖模塊擁有更佳表現(xiàn)

如上所述，機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致珀耳帖模塊的焊點(diǎn)和半導(dǎo)體芯片出現(xiàn)裂紋。CUI Devices研發(fā)出采用arcTEC?結(jié)構(gòu)的珀耳帖模塊系列，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以抵抗熱疲勞的影響，從而提高了模塊的性能、可靠性和循環(huán)壽命。

CUI Devices采用arcTEC?結(jié)構(gòu)的珀耳帖模塊系列，首先用導(dǎo)電樹(shù)脂替換模塊冷側(cè)的焊點(diǎn)。這種樹(shù)脂比焊料更具機(jī)械柔順性，可允許在珀耳帖模塊操作的重復(fù)熱循環(huán)期間發(fā)生熱膨脹和收縮，因此有助于最大限度地減少傳統(tǒng)珀耳帖模塊結(jié)構(gòu)中發(fā)生的應(yīng)力和斷裂，從而實(shí)現(xiàn)更好的熱連接、卓越的機(jī)械粘合，并且性能不會(huì)隨著時(shí)間的推移而明顯下降。

在arcTEC結(jié)構(gòu)中的其余焊點(diǎn)則由高溫銻焊料（SbSn，235°C）制成，而不是更常見(jiàn)的低溫鉍焊料（BiSn，138°C）。銻焊料比鉍焊料更能承受機(jī)械應(yīng)力，具有出色的抗熱疲勞性和更好的剪切強(qiáng)度，這有助于提高珀耳帖模塊的可靠性。CUI Devices的珀耳帖模塊還配有硅橡膠防潮層，以增加其機(jī)械合規(guī)性，并可根據(jù)要求提供其他防潮層，例如環(huán)氧樹(shù)脂。

arcTEC結(jié)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)熱樹(shù)脂和銻焊點(diǎn)的綜合作用，對(duì)珀耳帖模塊的可靠性和使用壽命產(chǎn)生了巨大影響。珀耳帖模塊的預(yù)期壽命與接合的質(zhì)量直接相關(guān)，主要的失效原因是模塊內(nèi)的接合發(fā)生熱疲勞，從而導(dǎo)致模塊內(nèi)的電阻增加。由于在重復(fù)的熱循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的內(nèi)應(yīng)力，這種效應(yīng)更加復(fù)雜。使用arcTEC結(jié)構(gòu)構(gòu)建的珀耳帖模塊在超過(guò)30,000次熱循環(huán)時(shí)的電阻變化幾乎可以忽略不計(jì)，擁有絕佳的效能表現(xiàn)。

除了卓越的可靠性和模塊壽命之外，采用arcTEC結(jié)構(gòu)構(gòu)建的珀耳帖模塊還提供增強(qiáng)的熱性能。這些珀耳帖模塊集成了由優(yōu)質(zhì)硅錠制成的P/N組件，其尺寸是市場(chǎng)上其他熱電模塊使用的組件的2.7倍。這會(huì)對(duì)熱性能產(chǎn)生重大影響，因?yàn)楦蟮慕M件會(huì)導(dǎo)致更快、更均勻的冷卻。對(duì)于采用arcTEC結(jié)構(gòu)構(gòu)建的單元，以紅外檢測(cè)顯示陶瓷基板表面的溫度分布均勻。

相比之下，傳統(tǒng)裝置表現(xiàn)出多種溫度變化，表明冷卻性能下降和使用壽命縮短的風(fēng)險(xiǎn)更高。這些溫度變化可能是由較差的P/N組件質(zhì)量、較小的組件尺寸或模塊內(nèi)的焊接質(zhì)量差引起的。使用較大P/N組件的模塊以更快的速度冷卻并且不會(huì)降低性能。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，采用arcTEC結(jié)構(gòu)的模塊與競(jìng)爭(zhēng)模塊相比，冷卻時(shí)間提高了50%以上。這種顯著差異可歸因于P/N組件的尺寸和質(zhì)量，以及arcTEC結(jié)構(gòu)提供的更高可靠性。隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加和傳統(tǒng)模塊的電阻變化繼續(xù)增長(zhǎng)，這種差距會(huì)擴(kuò)大。

多樣化珀耳帖模塊系列產(chǎn)品滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求

CUI Devices的高性能珀耳帖模塊系列產(chǎn)品包含有單級(jí)珀耳帖模塊，其具有緊湊、輕便的外形和無(wú)移動(dòng)部件的固態(tài)結(jié)構(gòu)，得益于精確的溫度控制和響應(yīng)，使其成為高度可靠的冷卻解決方案。此外還有多級(jí)珀耳帖模塊，通過(guò)堆疊兩個(gè)模塊以提高熱泵能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)105℃的更高溫度增量，同時(shí)保留單級(jí)熱電冷卻器的固態(tài)優(yōu)勢(shì)。另外還有珀耳帖冷卻裝置，其具有更好的防水和吸收熱應(yīng)力的密封結(jié)構(gòu)，無(wú)需擰緊螺釘，從而更好地吸收熱量、最大性能和更容易安裝。

CUI Devices的高性能珀耳帖模塊系列的尺寸從3.4毫米到70毫米不等，輪廓低至1.95毫米，ΔTmax高達(dá)95℃（Th=50℃），額定電流從0.7 A到20 A，以及具有70到105℃的溫度增量。這些珀耳帖模塊擁有可靠的固態(tài)結(jié)構(gòu)、精確的溫度控制和安靜的運(yùn)行能力，非常適合醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用，以及不能選擇強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

CUI Devices的珀耳帖模塊通過(guò)專(zhuān)注于減輕熱疲勞的影響和優(yōu)化P/N組件，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱電冷卻器，arcTEC結(jié)構(gòu)中實(shí)施的這些增強(qiáng)功能共同提供了滿(mǎn)足最苛刻應(yīng)用所需的改進(jìn)性能和可靠性，這些珀耳帖模塊會(huì)是高密度、大功率醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。