關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體制冷片,TIM熱界面材料,熱導(dǎo)率,導(dǎo)熱填料,國(guó)產(chǎn)高端材料
引言:半導(dǎo)體制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。所謂珀?duì)柼?yīng),是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí),其一端吸熱,一端放熱的現(xiàn)象。重?fù)诫s的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導(dǎo)體材料,碲化鉍元件采用電串聯(lián),并且是并行發(fā)熱。TEC包括一些P型和N型對(duì)(組),它們通過電極連在一起,并且夾在兩個(gè)陶瓷電極之間;當(dāng)有電流從TEC流過時(shí),電流產(chǎn)生的熱量會(huì)從TEC的一側(cè)傳到另一側(cè),在TEC上產(chǎn)生″熱″側(cè)和″冷″側(cè),這就是TEC的加熱與制冷原理。
是制冷還是加熱,以及制冷、加熱的速率,由通過它的電流方向和大小來(lái)決定。一對(duì)電偶產(chǎn)生的熱電效應(yīng)很小,故在實(shí)際中都將上百對(duì)熱電偶串聯(lián)在一起,所有的冷端集中在一邊,熱端集中在另一邊,這樣生產(chǎn)出用于實(shí)際的制冷器。如果在應(yīng)用中需要的制冷或加熱量較大,可以使用多級(jí)半導(dǎo)體制冷器,對(duì)于常年運(yùn)行的設(shè)備,增大制冷元件的對(duì)數(shù),盡管增加了一些初成本,但可以獲得較高的制冷系數(shù)。
01TEC技術(shù)
自 1834 年發(fā)現(xiàn)珀?duì)柼?yīng)以來(lái),固態(tài)熱泵就一直存在。幾十年前,隨著先進(jìn)半導(dǎo)體熱電偶材料以及陶瓷基板組合技術(shù)的發(fā)展,這種固態(tài)熱泵開始商業(yè)化。熱電冷卻器是一種固態(tài)熱泵,需要熱交換器通過珀?duì)柼?yīng)散熱。在運(yùn)行期間,直流電流經(jīng)過熱電冷卻器以在陶瓷基板上產(chǎn)生熱傳輸和溫差,導(dǎo)致熱電冷卻器的一側(cè)變冷,而另一側(cè)變熱。標(biāo)準(zhǔn)的單級(jí)熱電冷卻器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 70°C 的溫差。
標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器的幾何尺寸從 2 x 2 毫米到 62 x 62 毫米不等。由于具有較小尺寸與較輕的重量,使熱電元件成為幾何空間和重量要求受限應(yīng)用的理想選擇。與熱電技術(shù)相比,傳統(tǒng)的基于壓縮機(jī)系統(tǒng)等冷卻技術(shù)通常體積和重量更大。熱電冷卻器還可以用作發(fā)電機(jī),將廢熱轉(zhuǎn)換為可用的輸出直流電。對(duì)于需要在環(huán)境溫度以下進(jìn)行主動(dòng)冷卻,且冷卻能力要求小于600瓦的應(yīng)用,熱電設(shè)備是理想的選擇。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括精確溫度控制、高可靠性、緊湊幾何尺寸、較輕重量和環(huán)保要求等因素時(shí),設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該考慮熱電冷卻器。
02 TEC產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)
制冷片的作用:就是把制冷對(duì)象的熱量帶到熱面。
TEC溫控器的作用:確保制冷對(duì)象的溫度工作在目標(biāo)溫度上下:
當(dāng)目標(biāo)對(duì)象的溫度高于目標(biāo)溫度是,給制冷片通電,讓制冷片把目標(biāo)對(duì)象的溫度帶走;
當(dāng)目標(biāo)對(duì)象的溫度低于某個(gè)溫度時(shí),停止供電或反向供電,提高目標(biāo)對(duì)象的溫度。
散熱裝置:確保制冷片自身不會(huì)因?yàn)闊崦娴臏囟冗^高而損壞。
傳感器:獲取目標(biāo)對(duì)象的溫度。
03TEC工作原理
半導(dǎo)體制冷片是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置,于1960年左右才出現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷片,也叫熱電制冷片,是一種熱泵。它利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng),當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù),其特點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,可靠性也比較高。
電偶,是指由兩個(gè)電量相等,距離很近的正負(fù)電荷所組成的一個(gè)總體。正電荷稱為電偶的電源,負(fù)電荷稱為電偶的電穴。熱電偶 thermocouple:熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)測(cè)量溫度的傳感器,是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件. 熱電偶是兩個(gè)不同的金屬原件焊接在一起,電流通過時(shí)會(huì)有壓差,用壓差來(lái)顯示溫度。即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時(shí),在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量,而另一個(gè)接頭處則吸收熱量,且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的,改變電流方向時(shí),放熱和吸熱的接頭也隨之改變,吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度I[A]成正比,且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān),即:
πab稱做導(dǎo)體A和B之間的相對(duì)帕爾帖系數(shù) ,單位為[V], πab為正值時(shí),表示吸熱,反之為放熱,由于吸放熱是可逆的,所以πab=-πab。金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱,而半導(dǎo)體材料則要強(qiáng)得多,因而得到實(shí)際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。
1.N型半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素,例如磷,可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。
因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵,而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。
提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。
2.P型半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素,如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體,也稱為空穴型半導(dǎo)體。
因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí),缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子,使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。
3.PN結(jié)
在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:
因濃度差
↓
多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)
↓
空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場(chǎng)
↓ ↓
內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散
最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè),留下離子薄層,這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。
PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示。
外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū),方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反,削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱,擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流,可忽略漂移電流的影響。而實(shí)際上電子在通過電場(chǎng)后勢(shì)能產(chǎn)生變化,能量轉(zhuǎn)換為各種形勢(shì)的表現(xiàn),而熱量的吸收與散發(fā)都是其表現(xiàn)的一個(gè)方面。而半導(dǎo)體制冷片的工作原理實(shí)際上就是通過定向電流將熱能定向搬運(yùn)的過程。
04TEC的優(yōu)勢(shì)
TEC 熱電致冷器11個(gè)優(yōu)點(diǎn):不需使用任何冷卻劑,既能致冷,又能加熱,主動(dòng)冷卻,適合局部冷卻(spot cooling),具發(fā)電能力(溫差發(fā)電)等優(yōu)點(diǎn)
TEC
1.不需使用任何冷卻劑,可連續(xù)工作,無(wú)污染、無(wú)動(dòng)件、無(wú)噪音,壽命長(zhǎng),安裝容易,且體積小重量輕,維護(hù)容易。2.具有兩種功能,既能致冷,又能加熱(效率高),透過改變電流方向達(dá)冷卻或加熱兩種不同目的,并可做為多級(jí)的應(yīng)用方式,可使效率更高。3.其冷卻方式為主動(dòng)冷卻,而能致冷使溫度低于室溫,一般的散熱片為被動(dòng)冷卻,溫度需要高于環(huán)境才有散熱功能。若于熱電器件之熱端接上相同的散熱片,因熱電器件為主動(dòng)冷卻,不斷帶走冷端的熱量,所以冷端可以低于室溫,可做為高發(fā)熱功率之電子器件冷卻之用,對(duì)于器件的性能提升有很大的幫助。4.為電流換能型器件,透過輸入電流的控制,可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制,尤其體積小,效率高,非常適合于光通訊器件如AWG、Transceiver等器件、紅外sensor,以及Bio-MEMS器件之精密溫度控制。5.適合局部冷卻(spot cooling),熱電器件可只對(duì)特定之發(fā)熱器件作冷卻,而不必冷卻整個(gè)封裝結(jié)構(gòu),可節(jié)省耗電并增加效率。6.其熱慣性非常小,致冷致熱時(shí)間很快,在熱端散熱良好冷端空載情況下,通電不到一分鐘,就能達(dá)到最大溫差。7.具發(fā)電能力(溫差發(fā)電),若在熱電器件兩面建立溫差,則可產(chǎn)生直流電,適用于中低溫區(qū)發(fā)電,如Seiko 公司的體溫發(fā)電腕表等。8.單串熱電器件作的功率很小,但用同類型的熱電堆組合成熱電堆串,采并聯(lián)方式組合成一個(gè)大系統(tǒng),功率就可以做的很大,由幾毫瓦到上萬(wàn)瓦的范圍都有可能。9.其溫差范圍,由+90℃到-130℃之間均可達(dá)成。10.冷卻速度快,其速度可透過調(diào)節(jié)工作電壓控制,且工作電流或電壓的精度要求不高。如額定12V 電壓,實(shí)際可使用到8~14V。11.不受重力和方向影響,因熱電器件不需循環(huán)流體,故不受重力和方向的影響,適合應(yīng)用在航天工業(yè)上。NASA應(yīng)用此技術(shù)提供幾百瓦的電力于太空探測(cè)裝置上。
05TEC產(chǎn)品類型及應(yīng)用
06 TEC產(chǎn)品技術(shù)的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)
半導(dǎo)體制冷的研究涉及傳熱學(xué)原理、熱力學(xué)定律以及帕爾貼效應(yīng),還要考慮多種因素如材料的優(yōu)值系數(shù)、半導(dǎo)體多級(jí)制冷、冷熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等,同時(shí)影響半導(dǎo)體制冷的各種因素都是相輔相成的,不是獨(dú)立的。所以半導(dǎo)體制冷的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn),但也面臨諸多難點(diǎn)。
首先,半導(dǎo)體制冷材料性能的優(yōu)劣取決于其半導(dǎo)體制冷優(yōu)值系數(shù)Z。構(gòu)成半導(dǎo)體制冷材料優(yōu)值系數(shù)的三個(gè)參數(shù)塞貝克系數(shù)(α)、電導(dǎo)率(σ)和熱導(dǎo)率(K)都是溫度的函數(shù)。與此同時(shí),優(yōu)值系數(shù)又敏感地依賴于材料種類、組分、摻雜水平和結(jié)構(gòu)。能適合半導(dǎo)體制冷的半導(dǎo)體材料不僅要混合地加入少量雜質(zhì)改變它的溫差電動(dòng)勢(shì)率、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率,而且還應(yīng)該具有半導(dǎo)體本身特性,做到既要保持原來(lái)半導(dǎo)體的傳統(tǒng)半導(dǎo)體特性又要使它具有好的溫差電動(dòng)勢(shì)率、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率存在較大的困難,所以,高優(yōu)值系數(shù)的研究一直是半導(dǎo)體制冷研究的難點(diǎn)問題。
其次,半導(dǎo)體制冷是一個(gè)參數(shù)多、工況變化復(fù)雜的過程,幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、散熱傳熱等對(duì)其影響都很大,采用常規(guī)的針對(duì)性實(shí)驗(yàn)方法難以滿足多種需要,并且在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇時(shí)需要實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同工況從而選擇最優(yōu)方案。所以如何選擇和設(shè)計(jì)研究過程和方案就顯得重要,而整體分析又把問題變得復(fù)雜起來(lái)。
再者,根據(jù)傳熱學(xué)原理、熱力學(xué)定律以及帕爾貼效應(yīng)可知,半導(dǎo)體制冷過程中冷、熱端的溫度差對(duì)半導(dǎo)體制冷的熱量和冷量的傳遞有極大的影響,兩端換熱性能差,就會(huì)大幅度地減小同等功率下的制冷能力,若熱端散熱效果差,往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因而冷、熱端散熱也是半導(dǎo)體制冷的又一個(gè)困難:即如何強(qiáng)化冷、熱端散熱以及對(duì)制冷電堆冷、熱端散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。
總而言之,半導(dǎo)體制冷的難點(diǎn)在于:高優(yōu)值系數(shù)的材料,復(fù)雜的多參數(shù)以及冷熱端散熱的設(shè)計(jì)。雖然半導(dǎo)體制冷的研究面臨諸多困難,但是可以欣喜地看到當(dāng)前研究仍然呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。到目前為止,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從不同角度去提高半導(dǎo)體的制冷效率,展現(xiàn)出各自的優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性。但是半導(dǎo)體制冷的研究當(dāng)前還存在以下問題。
(1)半導(dǎo)體制冷要想達(dá)到機(jī)械壓縮制冷相當(dāng)?shù)闹评湫剩牧系膬?yōu)值系數(shù)就必須提高。然而,直到現(xiàn)在,科學(xué)家對(duì)半導(dǎo)體制冷材料的研究并未有很大突破。半導(dǎo)體制冷溫差較小和制冷系數(shù)不高是半導(dǎo)體制冷的最大缺點(diǎn),而材料的優(yōu)值系數(shù)不高導(dǎo)致這些缺點(diǎn)從而是阻礙半導(dǎo)體制冷發(fā)展的最主要因素,因此半導(dǎo)體材料的性能即優(yōu)值系數(shù)Z還有待于進(jìn)一步的提高。
(2)有關(guān)冷、熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究較少。這使得半導(dǎo)體制冷的設(shè)計(jì)多半處于理論計(jì)算階段,半導(dǎo)體制冷的實(shí)際運(yùn)行效果不能得到很好的保證。所以要不斷深入進(jìn)行半導(dǎo)體制冷器模塊設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究。
(3)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)與手段的引用較少,材料的優(yōu)值系數(shù)的停滯影響了整個(gè)半導(dǎo)體制冷行業(yè)的發(fā)展,所以運(yùn)用包括新理論和新技術(shù)來(lái)研究和完善就變得非常重要。半導(dǎo)體制冷也是一個(gè)交叉學(xué)科,需要不同方面的知識(shí)相互配合,共同進(jìn)步。
(4)隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,產(chǎn)品器件的尺寸有的越來(lái)越大,有的越來(lái)越小,有的狀況越來(lái)越復(fù)雜,需要考慮多種因素。這樣如何解決大功率半導(dǎo)體多級(jí)制冷的優(yōu)化問題、小尺寸器件的局部散熱問題和多因素的半導(dǎo)體熱電能量轉(zhuǎn)換問題就成為今后不斷努力研究的內(nèi)容。
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