珀耳帖模塊是冷卻應用的理想選擇

珀耳帖（Peltier）模塊是一種相當出色的冷卻解決方案，非常適合高密度、大功率醫療和工業(yè)應用，以及不能選擇強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。

運用珀耳帖效應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運行。其理論基礎是來(lái)自珀耳帖效應（Peltier effect），這個(gè)現象由法國物理學(xué)家Jean Peltier在1834年所發(fā)現。

珀耳帖模塊的結構由正負摻雜的半導體材料顆粒組成，它們放置在兩個(gè)電絕緣但導熱的陶瓷板之間。金屬的導電圖案鍍在每個(gè)陶瓷板的內表面上，并且半導體小球被焊接到導電圖案上。這種模塊配置將所有半導體芯片電氣串聯(lián)和機械并聯(lián)。串聯(lián)的電氣連接實(shí)現了所需的熱效應，而并聯(lián)機械配置使熱量被其中一個(gè)陶瓷板（冷側）吸收，并由另一個(gè)陶瓷板（熱側）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)的故障情況是半導體芯片或相關(guān)焊點(diǎn)的機械斷裂，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。珀耳帖模塊電阻的上升會(huì )導致其整體 “效率” 降低，但如果斷裂完全傳播到半導體芯片或焊點(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。如果散熱器和要被冷卻的物體粘附在陶瓷板上，而沒(méi)有任何其他機械結構來(lái)支撐冷卻的物體和散熱器，則很可能發(fā)生機械故障。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 )導致破裂。

在大多數應用中，散熱器和要被冷卻的物體夾在一起，中間則有珀耳帖模塊。使用這種機械配置是因為珀耳帖模塊可以承受來(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爾帖模塊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，從而導致機械故障。在珀爾帖模塊上產(chǎn)生壓縮夾緊力的機械約束必須小心且均勻地應用，這樣做將最大限度地減少施加在珀耳帖模塊上的扭矩應力，并最大限度地減少損壞的可能性。

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

另一方面，珀耳帖模塊中的半導體芯片、焊點(diǎn)和金屬化傳導路徑可能會(huì )受到外部污染，這也可能導致故障。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械柔順性。

采用arcTEC?結構的珀耳帖模塊擁有更佳表現

如上所述，機械應力會(huì )導致珀耳帖模塊的焊點(diǎn)和半導體芯片出現裂紋。CUI Devices研發(fā)出采用arcTEC?結構的珀耳帖模塊系列，由于其獨特的結構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?結構的珀耳帖模塊系列，首先用導電樹(shù)脂替換模塊冷側的焊點(diǎn)。這種樹(shù)脂比焊料更具機械柔順性，可允許在珀耳帖模塊操作的重復熱循環(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珀耳帖模塊結構中發(fā)生的應力和斷裂，從而實(shí)現更好的熱連接、卓越的機械粘合，并且性能不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而明顯下降。

在arcTEC結構中的其余焊點(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械應力，具有出色的抗熱疲勞性和更好的剪切強度，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，以增加其機械合規性，并可根據要求提供其他防潮層，例如環(huán)氧樹(shù)脂。

arcTEC結構內的導熱樹(shù)脂和銻焊點(diǎn)的綜合作用，對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的接合發(fā)生熱疲勞，從而導致模塊內的電阻增加。由于在重復的熱循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的內應力，這種效應更加復雜。使用arcTEC結構構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，擁有絕佳的效能表現。

除了卓越的可靠性和模塊壽命之外，采用arcTEC結構構建的珀耳帖模塊還提供增強的熱性能。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 )對熱性能產(chǎn)生重大影響，因為更大的組件會(huì )導致更快、更均勻的冷卻。對于采用arcTEC結構構建的單元，以紅外檢測顯示陶瓷基板表面的溫度分布均勻。

相比之下，傳統裝置表現出多種溫度變化，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。在現場(chǎng)測試中，采用arcTEC結構的模塊與競爭模塊相比，冷卻時(shí)間提高了50%以上。這種顯著(zhù)差異可歸因于P/N組件的尺寸和質(zhì)量，以及arcTEC結構提供的更高可靠性。隨著(zhù)熱循環(huán)次數的增加和傳統模塊的電阻變化繼續增長(cháng)，這種差距會(huì )擴大。

多樣化珀耳帖模塊系列產(chǎn)品滿(mǎn)足不同應用需求

CUI Devices的高性能珀耳帖模塊系列產(chǎn)品包含有單級珀耳帖模塊，其具有緊湊、輕便的外形和無(wú)移動(dòng)部件的固態(tài)結構，得益于精確的溫度控制和響應，使其成為高度可靠的冷卻解決方案。此外還有多級珀耳帖模塊，通過(guò)堆疊兩個(gè)模塊以提高熱泵能力，能夠實(shí)現高達105℃的更高溫度增量，同時(shí)保留單級熱電冷卻器的固態(tài)優(yōu)勢。另外還有珀耳帖冷卻裝置，其具有更好的防水和吸收熱應力的密封結構，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)結構、精確的溫度控制和安靜的運行能力，非常適合醫療和工業(yè)應用，以及不能選擇強制空氣冷卻的設計。

結語(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，其性能遠遠優(yōu)于傳統結構的熱電冷卻器，arcTEC結構中實(shí)施的這些增強功能共同提供了滿(mǎn)足最苛刻應用所需的改進(jìn)性能和可靠性，這些珀耳帖模塊會(huì )是高密度、大功率醫療和工業(yè)應用的理想選擇。