選擇及使用先進帕爾帖熱電冷卻模組

作者:CUI Inc. 應用工程與動作控制部門副總裁 Jeff Smoot

熱電冷卻已快速成為多類電子設備的可行方案。現今巿面上的元件體積小、效率高、內部構造先進,能克服傳統的可靠性挑戰,因此解除了過去此類元件的發展限制。

為確保高功率雷射、實驗室基準儀器、分光鏡或夜視系統等儀器可正常運作,必須讓雷射二極體或影像感測器等電子元件維持在穩定溫度下。在某些情況下,可能需要降溫到低於室溫。簡易被動式冷卻結合散熱片與強制氣流,因此可能難以滿足任一要求;對熱負載變化的反應可能又慢又不準確,且冷卻需視熱梯度而定,熱源的溫度要高於室溫。

熱電冷卻具備多種優勢,可取代常用的被動冷卻技術。包括精確的溫度控制與更快速的反應、可在無風扇條件下運作 (視散熱片效能而定)、噪音較低、節省空間、功耗較少及能將元件冷卻至低於室溫。

帕爾帖元件:原理和結構

帕爾帖元件的內部結構包含以 N 型與 P 型碲化鉍材料製成的半導體顆粒。半導體顆粒陣列採用串聯電氣連接,以及熱傳導上平行排列,如此能將模組的陶瓷冷熱表面間的熱移轉程度提升到最高 (圖 1)。

CUI 的一般帕爾帖元件圖片

圖 1:一般帕爾帖元件的內部結構 (圖片來源:CUI, Inc.)

熱電冷卻利用帕爾帖效應,此效應係指電流通過兩個相異導體時,在接面間會吸熱或放熱的現象。熱電模組由兩片具高導熱性的陶瓷片內夾帕爾帖元件組成,在連接電源後,可有效地將元件間的熱量從一個陶瓷片傳導到另一個陶瓷片。此外,只需反轉電流方向,就可改變熱流方向。

施加直流電壓會讓正電荷載子和負電荷載子從一個基板表面吸收熱量,然後將熱量移轉並釋放到對側的基板。因此,熱量被吸收的表面會變冷,而被放熱的對側表面則會變熱。

建構冷卻裝置

若要建立實際可行的熱電冷卻裝置,內建帕爾帖模組的系統通常還需包含鋁合金等高導熱性金屬塊以及散熱鰭片 (圖 2)。金屬塊用於將待冷卻元件 (例如雷射二極體或影像感測器) 固定至冷卻裝置的冷側上。為維持金屬塊平坦,以確保與帕爾帖元件冷板的熱連接一致,會選擇特定厚度的金屬塊,請注意,若金屬塊太厚會導致非預期的熱慣性。散熱片會固定至帕爾帖元件的對側 (即熱板),以便將吸收的熱量散逸至周圍環境中。每個表面會塗上一層薄薄的散熱膏或其他的熱介面材料 (TIM)。

CUI 的帕爾帖元件、鋁塊及散熱片組裝圖

圖 2:將帕爾帖元件、鋁塊及散熱片組裝成冷卻系統 (圖片來源:CUI)

選擇模組和控制器

完整的熱電冷卻系統包含帕爾帖元件、散熱片組件、用於監測熱板和冷板的溫度感測器,以及一個用來確保電流正確供應以維持模組理想溫差的控制單元。

所選擇的控制器和帕爾帖模組是為確保冷卻元件與供應電流之焦耳熱效應所散發的熱量能夠消散,而不會超出帕爾帖模組規格書標明的最大熱容量 (Qmax) 或最大溫差 (ΔTmax)。同時也應考量最大溫差和最大電流,以確保所選的帕爾帖模組於合適電流下運作時,能維持期望的溫差。最大電流通常應小於最大額定電流的 70%,以確保焦耳熱效應維持在可管理的範圍內,並確保系統能對冷板短時間內的增溫做出反應,而不會發生熱失控的情形。

計算電流和熱吸收

若已知溫差和電源供應器運作電壓的期望值,則能利用規格書中的功能圖得出熱消耗和運作電流。

舉個例子,可使用圖 3 所示的功能圖得出在熱板溫度為 (Th) 50°C、冷板溫度為 10°C 及供應電壓為 12 V 的條件下,傳送的熱量和供應的電流。

使用規格書功能圖計算設定值的圖片

圖 3:使用規格書功能圖計算設定值 (圖片來源:CUI)

若要確定運作電流和熱吸收:

  1. 得出 ΔT:

    ΔT = Th – Tc – 50°C – 10°C = 40°C

  2. 使用 Th =50°C 的功能圖,得出在供應電壓下可維持 ΔT = 40°C 的電流:

    從圖表得知 I = 3.77 A

  3. 從功能圖找出 I = 3.77 A 和 ΔT = 40°C 時的傳送熱量:

    從圖表得知 Qc = 20.75 W

帕爾帖模組的熱疲勞

熱電冷卻器可能容易受熱疲勞影響。傳統裝置在電氣互連結構 (銅) 和 P/N 半導體元件之間包含一般性焊接連結,而在互連結構和陶瓷基板之間也會有焊接連結或燒結連結 (圖 4)。雖然這些連結技術一般會形成牢固的機械、熱和電氣連結,但連結沒有彈性,經過帕爾帖模組正常運作所常見的重複加熱和冷卻循環後,可能會劣化及甚至斷裂。

傳統帕爾帖模組的焊接連結和燒結連結示意圖

圖 4:傳統帕爾帖模組的焊接連結和燒結連結 (圖片來源:CUI)

為對抗熱疲勞效應,CUI 構想出適用於帕爾帖模組的 arcTEC™ 結構。arcTEC 結構在模組的冷側使用導熱樹脂,取代銅質電氣互連結構與陶瓷基板間的傳統焊接連結。此樹脂在模組內提供彈性連結,可在重複性熱循環期間延展和收縮。樹脂的彈性可減少模組內的壓力,同時獲得更佳的熱連接和絕佳的機械連結,且效能在運作一段時間後也未明顯降低。

此外,採用特殊的 SbSn (銻錫) 焊料取代了 P/N 半導體元件和銅質互連結構間常用的 BiSn (鉍錫) 焊料 (圖 5)。SbSn 焊料的熔點 (235°C) 高於 BiSn 的熔點 (138°C),因此能提供極佳的熱疲勞效能及更好的剪力強度。

arcTEC 結構補強可大幅提升可靠度和熱效能的示意圖

圖 5:arcTEC 結構補強可大幅提升可靠度和熱效能 (圖片來源:CUI)

提升的可靠度和熱效能

為進一步增強可靠度,arcTEC 結構模組的 P/N 元件採用頂級矽材質製成,且大小可達其他模組所採用元件的 2.7 倍。如此可確保更一致的冷卻效能,避免溫度不均而縮短使用壽命。圖 6 為比較傳統帕爾帖模組 (上) 和 arcTEC 結構模組 (下) 的紅外線圖,藉以說明溫度分布效應。arcTEC 結構模組的高效能 P/N 元件也有利於縮短冷卻時間達 50% 以上。

arcTEC 結構模組溫度分布更佳的圖片

圖 6:相較於傳統的模組 (上),arcTEC 結構模組溫度分布更佳 (圖片來源:CUI)

透過分析帕爾帖模組經歷熱循環時的內部阻力變化,可看出 arcTEC 結構模組具有更長的壽命。由於帕爾帖模組內部的阻力變化與連結失效有極大關係,因此趨勢分析可提供實用的使用壽命指標。圖 7 顯示的結果進一步說明了 arcTEC 結構可大幅提升預期的使用壽命。

透過監測阻力的變化評估可靠性的圖片

圖 7:透過監測阻力的變化評估可靠性 (圖片來源:CUI)

結論

儘管熱電冷卻在物理學已為廣知的現象,但可納入商用電子產品設計的帕爾帖模組卻是相當新的發展。這類元件具有諸多優點,包括反應更快、溫度更穩定及彈性更高,可控制諸如 IC、雷射二極體或感測器等關鍵元件的溫度。設計人員更加熟悉相關產品和設計方法後,相信會出現許多針對帕爾帖模組的全新創意應用。

在選擇帕爾帖模組和設計控制電路時應特別留意,確保模組可在其熱限值內良好運作。現今最先進的帕爾帖模組採用彈性內部互連結構和高純度 P/N 顆粒,為進一步改善熱反應和可靠性帶來無限可能。

資源

  1. 查看 CUI 帕爾帖模組全系列產品組合
  2. 透過 CUI 帕爾帖模組 PTM 進一步瞭解熱電冷卻
  3. 閱讀更多關於 CUI arcTEC 結構的資訊

聲明:各作者及/或論壇參與者於本網站所發表之意見、理念和觀點,概不反映 Digi-Key Electronics 的意見、理念和觀點,亦非 Digi-Key Electronics 的正式原則。

關於作者

CUI Inc. 應用工程與動作控制部門副總裁 Jeff Smoot

文章作者:CUI Inc 的 Jeff Smoot