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珀耳帖模块是冷却应用的理想选择

发布时间:2022-06-01 来源:艾睿电子 责任编辑:wenwei

【导读】珀耳帖(Peltier)模块是一种相当出色的冷却解决方案,非常适合高密度、大功率医疗和工业应用,以及不能选择强制空气冷却的制冷和密封环境。本文将为您介绍珀耳帖模块的功能特性,以及由CUI Devices所提供的珀耳帖模块的产品特色与优势。


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运用珀耳帖效应提供更佳的冷却能力


珀耳帖模块,也称为热电冷却器(thermoelectric coolers, TEC)或热电模块(thermoelectric modules, TEM),是一种固态器件,不包含移动部件,在通电时会传递热量,可在很宽的温度范围内运行。其理论基础是来自珀耳帖效应(Peltier effect),这个现象由法国物理学家Jean Peltier在1834年所发现。


珀耳帖模块的结构由正负掺杂的半导体材料颗粒组成,它们放置在两个电绝缘但导热的陶瓷板之间。金属的导电图案镀在每个陶瓷板的内表面上,并且半导体小球被焊接到导电图案上。这种模块配置将所有半导体芯片电气串联和机械并联。串联的电气连接实现了所需的热效应,而并联机械配置使热量被其中一个陶瓷板(冷侧)吸收,并由另一个陶瓷板(热侧)释放。


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典型的珀耳帖模块常见的故障原因


珀耳帖模块最常见的故障情况是半导体芯片或相关焊点的机械断裂,这些断裂最初不会完全通过芯片或焊点传播,并且可以通过器件串联电阻的上升来检测。珀耳帖模块电阻的上升会导致其整体 “效率” 降低,但如果断裂完全传播到半导体芯片或焊点上,则可能会发生完全故障。


典型的珀耳帖模块应用包括将要冷却的物体放置在模块的冷板上,并将散热器放在热侧。如果散热器和要被冷却的物体粘附在陶瓷板上,而没有任何其他机械结构来支撑冷却的物体和散热器,则很可能发生机械故障。仅使用珀耳帖器件来支撑物体或散热器,可能会在模块上产生较大的剪切或拉伸载荷。珀耳帖模块无法承受散热器和冷板之间的大张力或剪切力,并且如果遇到过大的这些力可能会导致破裂。


在大多数应用中,散热器和要被冷却的物体夹在一起,中间则有珀耳帖模块。使用这种机械配置是因为珀耳帖模块可以承受来自夹具的大压缩力,而夹具则吸收物体和散热器之间产生的任何剪切或拉伸应力。


尽管珀耳帖模块可以承受较大的压缩载荷,但散热片和要被冷却的物体必须在珀尔帖模块上施以均匀的夹紧力,不均匀的夹紧力会在陶瓷板之间产生扭矩和压缩力,从而导致机械故障。在珀尔帖模块上产生压缩夹紧力的机械约束必须小心且均匀地应用,这样做将最大限度地减少施加在珀耳帖模块上的扭矩应力,并最大限度地减少损坏的可能性。


此外,用于构建珀耳帖模块的陶瓷板和半导体颗粒具有相关的热膨胀系数(coefficients of thermal expansion, CTE)。陶瓷和半导体CTE的不匹配会导致机械应力,当模块被加热或冷却时,可能会在半导体芯片和焊点中引发断裂。除了珀耳帖模块的绝对温度变化之外,器件上的热梯度和其温度的快速变化率也会由于CTE引起机械应力。在极端温度、大温度梯度和高温转换速率下运行都会产生增加的机械应力,从而导致器件故障。


另一方面,珀耳帖模块中的半导体芯片、焊点和金属化传导路径可能会受到外部污染,这也可能导致故障。将污染暴露降至最低的常见解决方案,是在两个陶瓷板之间的模块周边周围涂上密封胶珠。由于材料的机械柔顺性,硅橡胶是一种常见的密封剂,但在恶劣的操作环境中,硅橡胶可能无法有效地用作蒸汽屏障。环氧树脂可用作存在高蒸气浓度的周边密封剂,然而,环氧树脂通常不像硅橡胶那样具有机械柔顺性。


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采用arcTEC™结构的珀耳帖模块拥有更佳表现


如上所述,机械应力会导致珀耳帖模块的焊点和半导体芯片出现裂纹。CUI Devices研发出采用arcTEC™结构的珀耳帖模块系列,由于其独特的结构可以抵抗热疲劳的影响,从而提高了模块的性能、可靠性和循环寿命。


CUI Devices采用arcTEC™结构的珀耳帖模块系列,首先用导电树脂替换模块冷侧的焊点。这种树脂比焊料更具机械柔顺性,可允许在珀耳帖模块操作的重复热循环期间发生热膨胀和收缩,因此有助于最大限度地减少传统珀耳帖模块结构中发生的应力和断裂,从而实现更好的热连接、卓越的机械粘合,并且性能不会随着时间的推移而明显下降。


在arcTEC结构中的其余焊点则由高温锑焊料(SbSn,235°C)制成,而不是更常见的低温铋焊料(BiSn,138°C)。锑焊料比铋焊料更能承受机械应力,具有出色的抗热疲劳性和更好的剪切强度,这有助于提高珀耳帖模块的可靠性。CUI Devices的珀耳帖模块还配有硅橡胶防潮层,以增加其机械合规性,并可根据要求提供其他防潮层,例如环氧树脂。


arcTEC结构内的导热树脂和锑焊点的综合作用,对珀耳帖模块的可靠性和使用寿命产生了巨大影响。珀耳帖模块的预期寿命与接合的质量直接相关,主要的失效原因是模块内的接合发生热疲劳,从而导致模块内的电阻增加。由于在重复的热循环过程中发生的内应力,这种效应更加复杂。使用arcTEC结构构建的珀耳帖模块在超过30,000次热循环时的电阻变化几乎可以忽略不计,拥有绝佳的效能表现。


除了卓越的可靠性和模块寿命之外,采用arcTEC结构构建的珀耳帖模块还提供增强的热性能。这些珀耳帖模块集成了由优质硅锭制成的P/N组件,其尺寸是市场上其他热电模块使用的组件的2.7倍。这会对热性能产生重大影响,因为更大的组件会导致更快、更均匀的冷却。对于采用arcTEC结构构建的单元,以红外检测显示陶瓷基板表面的温度分布均匀。


相比之下,传统装置表现出多种温度变化,表明冷却性能下降和使用寿命缩短的风险更高。这些温度变化可能是由较差的P/N组件质量、较小的组件尺寸或模块内的焊接质量差引起的。使用较大P/N组件的模块以更快的速度冷却并且不会降低性能。在现场测试中,采用arcTEC结构的模块与竞争模块相比,冷却时间提高了50%以上。这种显着差异可归因于P/N组件的尺寸和质量,以及arcTEC结构提供的更高可靠性。随着热循环次数的增加和传统模块的电阻变化继续增长,这种差距会扩大。


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多样化珀耳帖模块系列产品满足不同应用需求


CUI Devices的高性能珀耳帖模块系列产品包含有单级珀耳帖模块,其具有紧凑、轻便的外形和无移动部件的固态结构,得益于精确的温度控制和响应,使其成为高度可靠的冷却解决方案。此外还有多级珀耳帖模块,通过堆叠两个模块以提高热泵能力,能够实现高达105℃的更高温度增量,同时保留单级热电冷却器的固态优势。另外还有珀耳帖冷却装置,其具有更好的防水和吸收热应力的密封结构,无需拧紧螺钉,从而更好地吸收热量、最大性能和更容易安装。


CUI Devices的高性能珀耳帖模块系列的尺寸从3.4毫米到70毫米不等,轮廓低至1.95毫米,ΔTmax高达95℃(Th=50℃),额定电流从0.7 A到20 A,以及具有70到105℃的温度增量。这些珀耳帖模块拥有可靠的固态结构、精确的温度控制和安静的运行能力,非常适合医疗和工业应用,以及不能选择强制空气冷却的设计。若想知道更多关于CUI Devices珀耳帖模块的产品信息,请到艾睿电子的网站搜寻:

https://www.arrow.com/zh-cn/products/search?cat=&q=Thermoelectric+Cooler+Peltier+Modules+CUI+Devices&r=true


结语


CUI Devices的珀耳帖模块通过专注于减轻热疲劳的影响和优化P/N组件,其性能远远优于传统结构的热电冷却器,arcTEC结构中实施的这些增强功能共同提供了满足最苛刻应用所需的改进性能和可靠性,这些珀耳帖模块会是高密度、大功率医疗和工业应用的理想选择。



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