佩尔帖模块适用于冷却应用

通过应用珀耳帖效应获得更好的冷却能力

珀尔帖模块(Peltier module)，也称为热电冷却器(TEC)或热电模块(TEM)，是一种固态器件，没有活动部件，在通电时传递热量，并可在宽温度范围内运行。其理论基础是1834年由法国物理学家Jean Peltier发现的珀尔帖效应。   珀尔帖模块的结构由放置在两个电绝缘但热导陶瓷板之间的正负掺杂半导体材料颗粒组成。金属材料的导电图案镀在每个陶瓷板的内表面上，半导体颗粒焊接在其上。此模块配置使得所有半导体颗粒可以在电气上串联连接，同时在机械上并联连接。所需的热效应通过串联的电气连接提供，而机械并联连接则允许一个陶瓷板（冷侧）吸收热量，另一个陶瓷板（热侧）释放热量。

典型佩尔帖模块常见故障原因

在珀耳帖模块中，最常见的故障是半导体小块或相关焊点的机械断裂，这种断裂最初并不会完全传播穿过小块或焊点，而是可通过器件串联电阻的升高来检测到。珀耳帖模块电阻的升高可能导致整体“效率”降低，但是这种断裂如果完全传播至半导体小块或焊点，则可能引起完全失效。   在珀耳帖模块的典型应用中，需要冷却的物体被放置在模块的冷板上，而散热器则放置在热端。如果散热器和待冷却物体直接粘附在陶瓷板上，而没有其他机械结构来支撑冷却物体和散热器，则可能导致机械故障。仅通过珀耳帖装置支撑物体或散热器可能会对模块施加大剪切力或拉伸载荷。珀耳帖模块不能承受散热器和冷板之间的高拉伸力或剪切力，在施加过大的力量时可能会断裂。   在大多数应用中，散热器与待冷却的物体一起用夹具固定，珀耳帖模块则位于两者之间。这种机械配置得益于珀耳帖模块能够承受夹具施加的高压缩力，这种压力可以吸收物体与散热器之间的剪切或拉伸应力。   尽管珀耳帖模块能够承受大的压缩载荷，但散热器和待冷却物体必须均匀固定在珀耳帖模块上，否则陶瓷板之间的扭矩和压缩力可能导致机械故障。对珀耳帖模块施加压缩夹紧力的机械约束必须仔细而均匀地施加，以最大限度地减少对珀耳帖模块施加的扭矩应力，并减少损坏的可能性。   此外，用于构建珀耳帖模块的陶瓷板和半导体小块具有相关的热膨胀系数（CTE）。陶瓷和半导体的CTE不匹配可能引起机械应力。在模块受热或冷却的情况下，可能导致半导体小块和焊点的断裂。除了珀耳帖模块的绝对温度变化，其器件上的热梯度以及温度的快速变化率也可能因CTE而引发机械应力。在极端温度、大温度梯度和高温变化速率下操作会增加机械应力，并可能导致器件失效。   珀耳帖模块中的半导体小块、焊点以及金属化导电路径可能会因外部污染而失效。减少污染暴露的常见解决方案是在模块的两个陶瓷板之间施加密封材料条。由于材料的机械弹性，硅橡胶是常用的密封材料，但在严苛的操作环境中，它可能无法有效作为蒸汽屏障。在高蒸汽浓度的环境中，可以使用环氧树脂作为外围密封剂，但环氧树脂通常不具有硅橡胶的机械顺应性。

具有arcTEC™结构的珀耳帖模块性能更佳

如上所述，由于机械应力，Peltier模块的焊点和半导体片可能会发生裂纹。Same Sky开发了一种带有arcTEC™结构的Peltier模块，其独特结构使其能够抵抗热疲劳，从而提高模块性能、可靠性和使用寿命周期。   首先，来自Same Sky的带有arcTEC™结构的Peltier模块将模块冷端的焊点替换为导电树脂。这种树脂在机械方面比焊料更为灵活，可在Peltier模块反复热循环过程中允许热膨胀和收缩，帮助减少传统Peltier模块结构中的压力和断裂，从而实现更好的热连接、更优的机械结合，并确保性能不会随时间显著下降。   arcTEC结构中剩余的焊点采用高温锑焊料（SbSn，235°C）替代更常见的低温铋焊料（BiSn，138°C）。锑焊料比铋焊料更能抵抗机械应力，其优秀的热疲劳抗性和更好的剪切强度有助于提高Peltier模块的可靠性。同样来自Same Sky的Peltier模块还配有硅胶防潮层以实现机械适应性。根据需求，还可以提供例如环氧树脂等其他防潮层。   在arcTEC结构中导热树脂和SbSn焊点联合作用下，Peltier模块的可靠性和使用寿命受到显著影响。Peltier模块的使用寿命与连接质量之间有直接关系，而失败主要通过模块内部连接热疲劳导致模块电阻增加来体现。这种影响在重复热循环中产生的内部应力下进一步复杂化。在超过30,000次热循环之后，带有arcTEC结构的Peltier模块电阻变化可以忽略不计，因此表现出优秀的性能。   除了更高的可靠性和模块寿命外，带有arcTEC结构的Peltier模块还具有更强的热性能。在Peltier模块中，由优质硅锭制成的集成P/N元件尺寸是市场上其他热电模块元件尺寸的2.7倍。由于较大的元件能够实现更快速、更均匀的冷却，这对热性能有显著影响。采用arcTEC结构构建的单元的红外检测显示陶瓷基板表面具有均匀的温度分布。   相比之下，传统单元表现出多个温度变化，这表明降冷却性能和缩短使用寿命风险更高。这些温度变化可能由模块内劣质P/N元件质量、小元件尺寸或焊料质量不良引起。使用较大P/N元件的模块能够实现更快的冷却且性能不会下降。实地测试表明，与竞争模块相比，带有arcTEC结构的模块冷却时间提高了50%以上。这种显著差异可归因于P/N元件的尺寸和质量，以及arcTEC结构的更高可靠性。传统模块中热循环数量的增加和电阻变化将进一步扩大差距。

多样化的珀耳帖模块系列以满足不同的应用需求

Same Sky 的高性能佩尔帖模块系列包括具有紧凑轻量化形状且固态无移动部件的单级佩尔帖模块。精确的温度控制和响应使其能够发展为一种高可靠性的冷却解决方案。额外的多级佩尔帖模块通过叠加两个模块以提高热泵能力，可实现最高达105°C的更高温度增量，同时保持单级热电冷却器的固态优势。此外，佩尔帖冷却单元的更好的防水性和热应力吸收防漏结构能够实现更好的热吸收、改进性能，并且无需拧紧螺丝即可更容易安装。   Same Sky 提供从 3.4 mm 到 70 mm 尺寸、最低1.95 mm高度轮廓、ΔTmax 高达 95°C（Th=50°C）、额定电流从 0.7 A 到 20 A、温度增量从 70°C 到 105°C 的高性能佩尔帖模块系列。这些佩尔帖模块的可靠固态结构、精确温度控制和安静运行特性使其非常适合用于医疗和工业应用以及无法使用强制空气冷却的设计。

结论

Same Sky的佩尔帖模块专注于缓解热疲劳效应并优化P/N元件，其性能远优于采用传统结构的热电冷却器。由于这些改进在arcTEC结构中共同提供了满足最苛刻应用所需的性能和可靠性，这些佩尔帖模块成为高密度、高功率医疗和工业应用的理想选择。