氮化鋁陶瓷基板用于精密半導(dǎo)體制冷片封裝的優(yōu)勢

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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，會發(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)制成微米級別的微型制冷裝置，其體積小、效率高，可以實現(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)兩個不同導(dǎo)體形成的接觸點時，電子能級會發(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，當(dāng)它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，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，就可以獲得一個完全相反的現(xiàn)象，我們稱之為珀爾帖效應(yīng)。

當(dāng)在兩個節(jié)點T1和T2輸入一個電壓Vin，回路中會產(chǎn)生一個相應(yīng)的電流I。接頭A處的熱量會被吸收，從而產(chǎn)生一個微弱的制冷現(xiàn)象，而在另一個接頭B處，隨著熱量流入，溫度會升高。鑒于這個效應(yīng)是可逆的，所以如果將電流反向，熱流的方向也隨之反向。珀爾帖效應(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的珀爾帖系數(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，導(dǎo)體中同時也會產(chǎn)生焦耳熱，大小可以用I2R（R是電路中的電阻）表示。這個焦耳熱效應(yīng)與珀爾帖效應(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，電子會從低能級向高能級跳躍，這時表現(xiàn)為電子需要吸熱，從而在這個節(jié)點處形成冷面（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，電子會從高能級向低能級跳躍，這時表現(xiàn)為電子需要放熱，從而在這個節(jié)點處形成熱面（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）。

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級和N級）。

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)計的，采用高強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，主要包括以下幾個方面：

01

材料選擇

微型制冷片的材料需要滿足制冷性能、可靠性、機械強度、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，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、堿和有機溶劑等化學(xué)介質(zhì)的腐蝕，從而延長微型制冷片的使用壽命。d.機械強度高：氮化鋁陶瓷的機械強度和硬度高，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。

02

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)工藝中采用先進光刻膠膜，通過高精度曝光機對位顯影，可實現(xiàn)線路對位精度控制在±10um，線路線寬線距公差控制在10%。

03

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)溫度降低到露點以下時，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。這層防潮保護層應(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RTV硅膠可以直接用作熱電制冷器的防潮保護層。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層。

04

測試技術(shù)

對微型制冷片的測試需要使用高精度的測試設(shè)備和技術(shù)，如電學(xué)測試、熱學(xué)測試等。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。長期在高溫下使用會引起半導(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)進行持續(xù)的冷熱循環(huán)，可以看成是對制冷器進行可靠性測試，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，而有時也會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。可以從以下方法著手A.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：晶格缺陷會對材料的電子輸運和熱電性能產(chǎn)生負面影響。因此，需要對材料進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，被廣泛應(yīng)用于納米技術(shù)、傳感器、醫(yī)療設(shè)備等多個領(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，如計算機芯片、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、細胞培養(yǎng)等。通過快速降溫可以減少細胞損傷，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。可以提高車載電子設(shè)備的工作效率和穩(wěn)定性，同時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。

END

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