Modules Peltier idéaux pour les applications de refroidissement

Obtenez une meilleure capacité de refroidissement grâce à l'application de l'effet Peltier

Le module Peltier, également connu sous le nom de refroidisseur thermoélectrique (TEC) ou module thermoélectrique (TEM), est un dispositif à semi-conducteurs sans pièces mobiles qui transmet la chaleur lorsqu'il est alimenté et peut fonctionner sur une large plage de températures. Il est théoriquement basé sur l'effet Peltier, découvert en 1834 par Jean Peltier, un physicien français.   Le module Peltier est structurellement composé de pastilles semi-conductrices dopées positivement et négativement placées entre deux plaques céramiques isolantes électriquement mais conductrices thermiquement. Un motif conducteur en matériau métallique est plaqué sur la surface interne de chaque plaque céramique, sur lequel les pastilles semi-conductrices sont soudées. Cette configuration de module permet à toutes les pastilles semi-conductrices d'être connectées électriquement en série et mécaniquement en parallèle. L'effet thermique souhaité est fourni par la connexion électrique en série, tandis que la connexion mécanique parallèle permet à la chaleur d'être absorbée par une plaque céramique (côté froid) et libérée par l'autre plaque céramique (côté chaud).

Causes courantes de défaillance dans les modules Peltier typiques

La défaillance la plus courante dans le module Peltier est la fracture mécanique des pastilles semi-conductrices ou des joints de soudure associés, qui ne se propage pas entièrement au départ à travers la pastille ou le joint de soudure et peut être détectée par l'augmentation de la résistance série de l'appareil. L'augmentation de la résistance du module Peltier peut entraîner une diminution de l'« efficacité » globale, mais la fracture qui se propage entièrement à la pastille semi-conductrice ou au joint de soudure peut entraîner une défaillance complète.   Dans une application typique du module Peltier, l'objet à refroidir est placé sur la plaque froide du module et un dissipateur thermique est placé sur le côté chaud. Dans le cas où le dissipateur thermique et l'objet à refroidir adhèrent à la plaque céramique, l'absence de toute autre structure mécanique pour supporter l'objet refroidi et le dissipateur thermique est susceptible de provoquer une défaillance mécanique. Le fait de supporter l'objet ou le dissipateur thermique uniquement à l'aide du dispositif Peltier peut imposer une charge importante de cisaillement ou de tension sur le module. Le module Peltier ne peut pas supporter la force de tension ou de cisaillement élevée entre le dissipateur thermique et la plaque froide, et peut se fracturer en cas de force excessive.   Dans la plupart des applications, le dissipateur thermique est serré avec l'objet à refroidir, le module Peltier étant placé entre les deux. Cette configuration mécanique est rendue possible par le fait que le module Peltier peut supporter de grandes forces de compression des pinces, qui peuvent absorber tout stress de cisaillement ou de tension entre l'objet et le dissipateur thermique.   Malgré la capacité du module Peltier à supporter des charges de compression importantes, le dissipateur thermique et l'objet à refroidir doivent être serrés de manière uniforme sur le module Peltier, sinon le couple et les forces de compression entre les plaques céramiques peuvent entraîner une défaillance mécanique. Les contraintes mécaniques qui génèrent des forces de serrage en compression sur le module Peltier doivent être appliquées avec soin et de manière uniforme pour minimiser le stress de couple appliqué au module Peltier et réduire la possibilité de dommages.   De plus, les plaques céramiques et les pastilles semi-conductrices pour la construction du module Peltier ont des coefficients de dilatation thermique (CTE) associés. Un décalage entre les CTE de la céramique et du semi-conducteur peut causer un stress mécanique. Dans le cas de modules chauffés ou refroidis, cela peut provoquer des fractures dans les pastilles semi-conductrices et les joints de soudure. En plus du changement de température absolu du module Peltier, les gradients thermiques sur le dispositif et le taux de changement rapide de sa température peuvent également entraîner un stress mécanique en raison du CTE. Fonctionner à des températures extrêmes, avec de grands gradients de température et des taux de variation de température élevés peut accroître le stress mécanique et entraîner une défaillance du dispositif.   Une possible contamination externe des pastilles semi-conductrices, des joints de soudure et des chemins de conduction métallisés dans le module Peltier peut également entraîner des défaillances. La solution courante pour minimiser l'exposition à la contamination est d'appliquer des perles de scellant autour du module entre les deux plaques céramiques. La flexibilité mécanique du matériau rend le caoutchouc silicone un scellant courant, mais il peut ne pas être efficace comme barrière contre la vapeur dans des environnements d'exploitation difficiles. Les résines époxy peuvent être utilisées comme scellants périphériques en présence d'une forte concentration de vapeur, mais les résines époxy n'ont généralement pas la conformité mécanique du caoutchouc silicone.

Les modules Peltier avec structure arcTEC™ offrent des performances encore meilleures

Comme mentionné ci-dessus, les soudures et les plaquettes semi-conductrices du module Peltier peuvent se fissurer sous contrainte mécanique. Same Sky a développé des modules Peltier avec structure arcTEC™. Leur structure unique leur permet de résister à la fatigue thermique, améliorant ainsi la performance, la fiabilité et la durée de vie du module.   Tout d'abord, les modules Peltier avec structure arcTEC™ de Same Sky ont les soudures du côté froid des modules remplacées par une résine conductrice. Cette résine, qui est mécaniquement plus flexible que la soudure, permet l'expansion et la contraction thermique lors des cycles thermiques répétés des modules Peltier et aide à minimiser le stress et la fracture dans les structures traditionnelles de modules Peltier, résultant en une meilleure connexion thermique, un lien mécanique supérieur et une performance qui ne se détériore pas significativement avec le temps.   Les soudures restantes dans la structure arcTEC sont fabriquées avec une soudure à haute température à l'antimoine (SbSn, 235°C) au lieu de la soudure courante à basse température au bismuth (BiSn, 138°C). La soudure à l'antimoine est plus résistante aux contraintes mécaniques que la soudure au bismuth, et sa excellente résistance à la fatigue thermique ainsi que sa meilleure résistance au cisaillement contribuent à améliorer la fiabilité du module Peltier. Le module Peltier de Same Sky est également équipé d'une couche anti-humidité en caoutchouc de silicone pour la conformité mécanique. D'autres couches anti-humidité, comme la résine époxy, sont disponibles sur demande.   Sous l'action combinée de la résine conductrice thermique et de la soudure SbSn dans la structure arcTEC, la fiabilité et la durée de vie du module Peltier sont grandement impactées. Il existe une corrélation directe entre la durée de vie du module Peltier et la qualité des liaisons, et la défaillance est principalement due à l'augmentation de la résistance dans le module causée par la fatigue thermique des liaisons au sein du module. Cet effet est encore compliqué par des contraintes internes qui se produisent lors de cycles thermiques répétés. À plus de 30 000 cycles thermiques, le changement de résistance du module Peltier avec structure arcTEC est négligeable, lui conférant d'excellentes performances.   En plus de la fiabilité supérieure et de la durée de vie du module, le module Peltier avec structure arcTEC offre des performances thermiques améliorées. Dans le module Peltier, les éléments P/N intégrés fabriqués à partir de lingots de silicium de qualité supérieure sont 2,7 fois plus grands que les éléments utilisés dans d'autres modules thermoélectriques sur le marché. Puisque des éléments plus grands produisent un refroidissement plus rapide et plus uniforme, cela peut avoir un impact significatif sur la performance thermique. L'inspection infrarouge de l'unité construite par la structure arcTEC montre une distribution uniforme de la température sur la surface du substrat céramique.   En revanche, les unités conventionnelles présentent de multiples variations de température, indiquant un risque accru de diminution des performances de refroidissement et de réduction de la durée de vie. Ces variations de température peuvent être causées par la qualité inférieure des éléments P/N, leur petite taille ou la mauvaise qualité des soudures au sein du module. L'utilisation de modules avec des éléments P/N plus grands permet un refroidissement plus rapide sans baisse de performance. Des tests sur le terrain montrent que les modules avec structure arcTEC ont amélioré le temps de refroidissement de plus de 50 % par rapport aux modules concurrents. Cette différence significative peut être attribuée à la taille et à la qualité des éléments P/N ainsi qu'à la fiabilité accrue de la structure arcTEC. Une augmentation du nombre de cycles thermiques et du changement de résistance dans les modules conventionnels élargira l'écart.

Série diversifiée de modules Peltier pour répondre à différents besoins d'application

Les modules Peltier à haute performance de la série Same Sky incluent des modules Peltier à un seul étage avec une forme compacte et légère, et à état solide sans pièces mobiles. Un contrôle précis de la température et une réponse rapide en font une solution de refroidissement très fiable. Le module Peltier à plusieurs étages supplémentaire est capable d'atteindre des augmentations de température plus élevées jusqu'à 105°C en empilant deux modules pour augmenter la capacité de la pompe à chaleur, tout en conservant les avantages à état solide du refroidisseur thermoélectrique à un seul étage. De plus, la meilleure résistance à l'eau et la structure étanche absorbant le stress thermique de l'unité de refroidissement Peltier permettent une meilleure absorption de la chaleur, une performance améliorée et une installation plus facile sans besoin de vis de serrage.   Same Sky fournit la série de modules Peltier à haute performance dans des tailles allant de 3,4 mm à 70 mm, avec un profil aussi bas que 1,95 mm, ΔTmax jusqu'à 95°C (Th=50°C), un courant nominal de 0,7 A à 20 A, et des augmentations de température de 70°C à 105°C. La construction fiable à état solide, le contrôle précis de la température et les capacités de fonctionnement silencieux de ces modules Peltier les rendent idéaux pour les applications médicales et industrielles et les conceptions où le refroidissement par air forcé n'est pas une option.

Conclusion

Les modules Peltier de Same Sky, qui se concentrent sur la réduction des effets de la fatigue thermique et l'optimisation des éléments P/N, performent bien mieux que les refroidisseurs thermoélectriques avec des structures conventionnelles. Étant donné que ces améliorations mises en œuvre dans la structure arcTEC offrent collectivement la performance et la fiabilité améliorées requises pour les applications les plus exigeantes, ces modules Peltier deviennent le choix idéal pour les applications médicales et industrielles à haute densité et à haute puissance.