珀尔帖模块是如何提高可靠性和热性能?

电子设计 2018-08-10 09:34 次阅读

热电冷却已迅速成为适用于多种类型电子设备的实用技术。当今市场中的设备都非常紧凑、高效,再加上先进的内部结构优势,以往导致这种设备难以大行其道的传统可靠性问题终于迎刃而解。

保持激光二极管图像传感器等电子元件温度稳定至关重要,这样可以确保高功率激光器、实验室参考系、分光镜或夜视系统等仪器能够正常运行。在某些情况下,可能需要冷却到环境温度以下。将散热器和强制气流结合起来使用,这种简单的被动冷却方式很难满足这些需求;它们无法快速、精确地响应热负载的变化,而且冷却依赖于热源温度高于环境温度时的热梯度。

作为常用的被动式冷却技术的替代方案,热电冷却具有很多优势,包括精确的温度控制和更快速的响应、无风扇工作能力(取决于散热器的性能)、更低的噪音、更少的空间、更低的功耗,以及能够将元件冷却到环境温度以下。

珀尔帖元件:原理和结构

珀尔帖元件的内部结构包括采用 N 型和 P 型碲化铋材料制造的半导体芯片。这些芯片通过电气连接串联在一起,但采用并联式热力学排列,以便在模块的高温和低温陶瓷表面之间实现最佳的传热性能(图 1)。

CUI 通用珀尔帖元件图片

图 1:通用珀尔帖元件的内部结构(图片来源:CUI, Inc.)

热电冷却利用了珀尔帖效应:当电流通过时,两种不同导电体接合处的热量会被吸收或排出。热电模块在两块高导热陶瓷板之间夹着一个珀尔帖元件,同时还配有一个电源,能够有效地将器件的热量从一块陶瓷板传递到另一块陶瓷板上。此外,只需反转电流的流动方向,即可更改热流方向。

施加直流电压会导致正负电荷载体吸收一个基底表面散出的热量,然后将其传递并释放到另一侧的基底上。因此,吸收了能量的表面会降温,而释放了能量的另一面会升温。

构建冷却装置

为构建一个实用的热电冷却装置,系统中内置了珀尔帖模块,这种模块通常由一个高导热率的金属块(例如铝合金)和一个鳍式散热器构成(图 2)。金属块用于将要冷却的器件(例如激光二极管或图像传感器)连接到冷却元件的冷面。应从有助保持平整的角度选择金属块的厚度,以确保与珀尔帖元件的冷板建立一致的热连接,但请注意,过厚会产生不必要的热惯性。将散热器连接到珀尔帖元件的另一面(又称热板),以便将提取的热量散发到环境中。在每个面上涂抹薄薄的一层导热膏或其他散热界面材料 (TIM)。

CUI 组装好的珀尔帖元件、铝块和散热器示意图

图 2:组装好的可用来构建冷却系统的珀尔帖元件、铝块和散热器(图片来源:CUI)。

选择模块和控制器

完整的热电冷却系统包括珀尔帖元件和散热器总成、用于监测热板和冷板温度的温度传感器,以及一个用于确保供应正确的电流以使模块保持所需温度差的控制器单元。

选择控制器和珀尔帖模块时,应确保被冷却元件的热量以及所供应电流焦耳热效应过程中产生的热量能够排放出来,而且不超过珀尔帖模块规格书中所示的最大热容量 (Qmax) 或最大温差 (ΔTmax)。还应考虑最大温差和最大电流,以确保所选的珀尔帖模块能够在以适当的电流运行时保持所需的温差。此电流通常应小于最大额定电流的 70%,以确保焦耳热效应始终在可控的极限值以内,而且系统能够在不发生热击穿的情况下响应冷板温度的快速升高。

计算电流和吸热能力

如果所需的温差和电源工作电压已知,则可以使用规格书中所示的功能图计算模块的散热量和工作电流。

例如,当热板温度为 (Th) 50°C、冷板温度为 10°C、供应的电压为 12 V 时,可以利用图 3 的功能图找出传递的热量和供应的电流。

使用规格书功能图时的设定值计算方法图

图 3:使用规格书功能图时的设定值计算方法(图片来源:CUI)。

要确定工作电流和吸热能力:

  1. 计算 ΔT:

    ΔT = Th - Tc - 50°C - 10°C = 40°C

  2. 使用 Th = 50°C 的功能图找出电流,以便在所供应的电压下保持 ΔT = 40°C:

    由图可知,I = 3.77 A

  3. 从功能图找出 I = 3.77 A、ΔT = 40°C 时传递的热量:

    由图可知,Qc = 20.75 W

珀尔帖模块中的热疲劳

热电冷却器可能会出现热疲劳。在以传统方法制造的器件中,电气互连器件(铜)与 P/N 半导体元件之间一般采用普通的焊接结合,而互连器件与陶瓷基底之间则采用焊接结合或烧结结合(图 4)。这些结合技术通常可以形成牢固的机械结合、热结合和电气结合,但它们缺乏灵活性,而且在经历普通珀尔帖模块运行时经常遇到的反复受热和冷却循环时,会老化并最终失效。

传统珀尔帖模块的焊接结合和烧结结合图

图 4:传统珀尔帖模块的焊接结合和烧结结合(图片来源:CUI)。

CUI 发明了适用于珀尔帖模块的 arcTEC™ 结构,它可以消除热疲劳效应。arcTEC 结构将模块冷面上的铜电气互连器件与陶瓷基底之间的传统焊接结合替换为导热树脂。这种树脂可以在模块内实现弹性结合,允许反复热循环期间发生膨胀和收缩。此树脂的弹性可减小模块内的应力,同时实现更好的热连接和出色的机械结合,且其性能不会随着时间的推移出现明显下降。

此外,专用的 SbSn(锑-锡)焊接取代了 P/N 半导体元件与铜互连器件之间通常使用的 BiSn(铋-锡)焊接(图 5)。SbSn 的焊接熔点为 235°C,比 BiSn 138°C 的焊接熔点更高,因此提供了出色的热疲劳性能和更高的剪切强度。

arcTEC 结构改进提高了可靠性和热性能原理图

图 5:arcTEC 结构改进提高了可靠性和热性能(图片来源:CUI)。

提高可靠性和热性能

为进一步提高可靠性,arcTEC 结构模块的 P/N 元件由优质硅材料制成,其尺寸最多可达到其他模块所采用 P/N 元件的 2.7 倍。这样可以确保更一致的冷却性能,避免可能导致使用寿命缩短的温度波动。图 6 通过比较传统珀尔帖模块(上方)与 arcTEC 结构模块(下方)的红外图像,显示了温度分布的影响。arcTEC 结构模块的优异 P/N 元件还有助于将冷却时间缩短 50% 以上。

arcTEC 结构模块中改进了温度分布图片

图 6:arcTEC 结构模块中温度分布改进(下方)与传统模块的温度分布(上方)对比(图片来源:CUI)。

通过分析经历热循环的珀尔帖模块的内阻变化,可以证明 arcTEC 结构模块的预期寿命得到了延长。由于珀尔帖模块内的电阻变化与结合失效密切相关,因此分析这一趋势可以有效地预测使用寿命。图 7 中显示的结果进一步证明,arcTEC 结构可以显著延长预期寿命。

通过监测电阻的变化来评估可靠性图

图 7:通过监测电阻的变化来评估可靠性(图片来源:CUI)。

总结

尽管一代又一代人已经了解热电冷却的物理特性,但适用于商用电子产品的珀尔帖模块直到最近才在市场中出现。它带来很多优势,包括更快的响应速度、更高的温度稳定性,以及控制像 IC、激光二极管或传感器这样的关键器件的温度时拥有更大的灵活性。随着设计师们越来越熟悉这些产品及其设计技术,预计珀尔帖模块会出现在越来越多的新应用和创新应用中。

当选择珀尔帖模块以及设计控制电路以使模块在其热限值内正常运行时,务请小心处理。如今最先进的珀尔帖模块都具有灵活的内部互连器件和高纯度 P/N 芯块,因此进一步提高了热响应能力和可靠性。

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