如何提高热电模块的可靠性水平

热电冷却器 （TEC） 或帕尔贴模块在敏感电子电路散热方面发挥着至关重要的作用。他们依靠珀尔帖效应来实现这一点 - 电流通过两种不同导电材料之间的结以产生热梯度。这样就可以将热量从模块的一侧传递到另一侧。尽管它们的运行受益于基于固态技术，没有移动部件，但工程师仍然需要了解可能影响其可靠性的几个因素。以下博客将概述这些的性质，并研究可以采取哪些措施来缓解它们。

基本技术系数建设

帕尔贴冷却模块的基本结构如图 1 所示。它由正掺杂和负掺杂的半导体颗粒（通常由碲化铋制成）组成。然后将这些颗粒放置在两个陶瓷板之间。两块板都是电绝缘的，但具有导热性。当电流通过颗粒时，一个板变冷，而另一个板变得更热。

在每个陶瓷板的内表面上是导电金属图案，半导体颗粒被焊接到这些图案上。这些半导体颗粒的排列方式意味着它们在机械上是平行的，在电气上是串联的。负责产生热梯度的是串联电气连接，而机械配置使得热量可以从冷侧板吸收并由热侧板释放。

可靠性因素

TEC 模块可能遇到操作故障的原因有多种。最常见的失效机制是半导体颗粒或连接焊点的破裂。值得庆幸的是，通过观察TEC模块串联电阻的突然上升，很容易确定这种断裂。

可能发生的另一个问题与用于实现TEC模块的热管理系统的外部力学有关。TEC模块通常夹在需要冷却的物品和散热器之间。然而，如果没有支撑基础设施，整个帕尔贴模块上可以看到相当大的剪切力或拉力。由于没有支持基础设施，这些不需要的力量会增加操作故障的风险。

图 2：TEC 组件可能承受的剪切力/拉力示意图

由于TEC模块具有承受大压缩力应用所需的弹性，因此这个问题相对容易解决。当模块位于被冷却的物品和随附的散热器之间时，通过对模块施加简单的夹具，可以减轻这些张力和剪切力的影响。

图 3：TEC 可能施加在其上的关键应力

尽管TEC模块能够处理压缩载荷，但这些夹具的应用方式的任何不均匀都有可能导致操作故障。因此，在整个TEC模块上均匀施加锁模力至关重要，这样压力热点就不会造成不可挽回的损坏。执行不良的夹紧也可能意味着TEC和散热器之间的接口不能完全有效。

图 4：正确（均匀分布）和不正确（不均匀分布）TEC 模块夹紧之间的比较

TEC模块内的掺杂半导体颗粒和陶瓷板将具有自己的相关热膨胀系数（CTE）。这些 CTE 中的不匹配会在热循环过程中对模块的内部结构造成压力。这可能导致颗粒中出现断裂，以及将所有东西固定在一起的焊点。暴露在极端温度水平或较大的温度梯度下也会影响TEC的使用寿命。

除了与热和机械相关的问题外，外部污染物的存在也会对TEC的运行构成威胁。为了帮助防止此类污染物，模块是密封的。使用最广泛的密封胶是硅橡胶和环氧树脂。虽然硅橡胶具有优异的机械性能，但在极端环境条件下，它并不总是有效的蒸汽屏障。相反，环氧树脂具有更强的蒸汽阻隔性，但不符合机械标准。因此，对于这些选项中的每一个，都需要进行权衡。

TEC 模块的改进

为了增强 TEC 的可靠性，CUI Devices 开发了arcTEC™ 结构。在这里，P/N半导体颗粒来自优质硅锭。这些颗粒比市场上竞争TEC模块中的颗粒大2.7倍。此外，焊接方法要先进得多。模块冷侧的焊点被柔性导电树脂取代，该树脂能够更好地处理相关应力，并且不易破裂。对于其余焊点，采用高温锑焊料。由于其熔点为235°C，这种焊料比熔点为138°C的标准铋焊料对机械应力的抵抗力要强得多。 这些模块还具有卓越的硅橡胶蒸汽阻隔层，可防止污染物进入。所有这些增强功能相结合，使具有 arcTEC 结构的帕尔贴模块能够支持比大多数标准模块更多的热循环。

图 5：CUI 设备的 arcTEC 结构可提供超过 30，000 次热循环的稳定性能

与任何机电组件一样，有许多不同的因素可能会对TEC性能产生负面影响或缩短使用寿命。如果注意到警告标志并遵守正确的实施，则可以实现长期无故障运行。此外，创新的新型TEC技术的出现，如CUI Devices的arcTEC结构，进一步提高了可靠性，并使珀尔帖模块成为一种有趣的热管理解决方案。

审核编辑：郭婷