如何提高熱電模塊的可靠性水平

熱電冷卻器 （TEC） 或帕爾貼模塊在敏感電子電路散熱方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。他們依靠珀爾帖效應(yīng)來實現(xiàn)這一點 - 電流通過兩種不同導(dǎo)電材料之間的結(jié)以產(chǎn)生熱梯度。這樣就可以將熱量從模塊的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。盡管它們的運行受益于基于固態(tài)技術(shù)，沒有移動部件，但工程師仍然需要了解可能影響其可靠性的幾個因素。以下博客將概述這些的性質(zhì)，并研究可以采取哪些措施來緩解它們。

基本技術(shù)系數(shù)建設(shè)

帕爾貼冷卻模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。它由正摻雜和負(fù)摻雜的半導(dǎo)體顆粒（通常由碲化鉍制成）組成。然后將這些顆粒放置在兩個陶瓷板之間。兩塊板都是電絕緣的，但具有導(dǎo)熱性。當(dāng)電流通過顆粒時，一個板變冷，而另一個板變得更熱。

在每個陶瓷板的內(nèi)表面上是導(dǎo)電金屬圖案，半導(dǎo)體顆粒被焊接到這些圖案上。這些半導(dǎo)體顆粒的排列方式意味著它們在機械上是平行的，在電氣上是串聯(lián)的。負(fù)責(zé)產(chǎn)生熱梯度的是串聯(lián)電氣連接，而機械配置使得熱量可以從冷側(cè)板吸收并由熱側(cè)板釋放。

可靠性因素

TEC 模塊可能遇到操作故障的原因有多種。最常見的失效機制是半導(dǎo)體顆?；蜻B接焊點的破裂。值得慶幸的是，通過觀察TEC模塊串聯(lián)電阻的突然上升，很容易確定這種斷裂。

可能發(fā)生的另一個問題與用于實現(xiàn)TEC模塊的熱管理系統(tǒng)的外部力學(xué)有關(guān)。TEC模塊通常夾在需要冷卻的物品和散熱器之間。然而，如果沒有支撐基礎(chǔ)設(shè)施，整個帕爾貼模塊上可以看到相當(dāng)大的剪切力或拉力。由于沒有支持基礎(chǔ)設(shè)施，這些不需要的力量會增加操作故障的風(fēng)險。

圖 2：TEC 組件可能承受的剪切力/拉力示意圖

由于TEC模塊具有承受大壓縮力應(yīng)用所需的彈性，因此這個問題相對容易解決。當(dāng)模塊位于被冷卻的物品和隨附的散熱器之間時，通過對模塊施加簡單的夾具，可以減輕這些張力和剪切力的影響。

圖 3：TEC 可能施加在其上的關(guān)鍵應(yīng)力

盡管TEC模塊能夠處理壓縮載荷，但這些夾具的應(yīng)用方式的任何不均勻都有可能導(dǎo)致操作故障。因此，在整個TEC模塊上均勻施加鎖模力至關(guān)重要，這樣壓力熱點就不會造成不可挽回的損壞。執(zhí)行不良的夾緊也可能意味著TEC和散熱器之間的接口不能完全有效。

圖 4：正確（均勻分布）和不正確（不均勻分布）TEC 模塊夾緊之間的比較

TEC模塊內(nèi)的摻雜半導(dǎo)體顆粒和陶瓷板將具有自己的相關(guān)熱膨脹系數(shù)（CTE）。這些 CTE 中的不匹配會在熱循環(huán)過程中對模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成壓力。這可能導(dǎo)致顆粒中出現(xiàn)斷裂，以及將所有東西固定在一起的焊點。暴露在極端溫度水平或較大的溫度梯度下也會影響TEC的使用壽命。

除了與熱和機械相關(guān)的問題外，外部污染物的存在也會對TEC的運行構(gòu)成威脅。為了幫助防止此類污染物，模塊是密封的。使用最廣泛的密封膠是硅橡膠和環(huán)氧樹脂。雖然硅橡膠具有優(yōu)異的機械性能，但在極端環(huán)境條件下，它并不總是有效的蒸汽屏障。相反，環(huán)氧樹脂具有更強的蒸汽阻隔性，但不符合機械標(biāo)準(zhǔn)。因此，對于這些選項中的每一個，都需要進(jìn)行權(quán)衡。

TEC 模塊的改進(jìn)

為了增強 TEC 的可靠性，CUI Devices 開發(fā)了arcTEC? 結(jié)構(gòu)。在這里，P/N半導(dǎo)體顆粒來自優(yōu)質(zhì)硅錠。這些顆粒比市場上競爭TEC模塊中的顆粒大2.7倍。此外，焊接方法要先進(jìn)得多。模塊冷側(cè)的焊點被柔性導(dǎo)電樹脂取代，該樹脂能夠更好地處理相關(guān)應(yīng)力，并且不易破裂。對于其余焊點，采用高溫銻焊料。由于其熔點為235°C，這種焊料比熔點為138°C的標(biāo)準(zhǔn)鉍焊料對機械應(yīng)力的抵抗力要強得多。 這些模塊還具有卓越的硅橡膠蒸汽阻隔層，可防止污染物進(jìn)入。所有這些增強功能相結(jié)合，使具有 arcTEC 結(jié)構(gòu)的帕爾貼模塊能夠支持比大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模塊更多的熱循環(huán)。

圖 5：CUI 設(shè)備的 arcTEC 結(jié)構(gòu)可提供超過 30，000 次熱循環(huán)的穩(wěn)定性能

與任何機電組件一樣，有許多不同的因素可能會對TEC性能產(chǎn)生負(fù)面影響或縮短使用壽命。如果注意到警告標(biāo)志并遵守正確的實施，則可以實現(xiàn)長期無故障運行。此外，創(chuàng)新的新型TEC技術(shù)的出現(xiàn)，如CUI Devices的arcTEC結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了可靠性，并使珀爾帖模塊成為一種有趣的熱管理解決方案。

審核編輯：郭婷