使用Peltier模块进行电子系统的热管理

应对电子元件产生的热量是一个永无止境的问题。分立晶体管的时代，有希望的低功耗电路设计，已经在很大程度上被微电子电路所取代，微电路不仅集成了数千只数百万的晶体管。

虽然由于单个晶体管的低效率导致的功率损耗可能很小，但是诸如微控制器之类的复杂IC的这些损耗的总和可能是巨大的。当您将多个IC和各种其他设备设计成一个电子设备时，您需要找到一种方法来处理所产生的热量。

当客户需要更大的设备功能，需要将越来越多的设备打包在相同或有时甚至更小的空间中时，尤其如此。例如，如果必须降低处理器的时钟速度以将功率耗散保持在热限制内，则这种增加的系统密度可以自我消失。

从电子设备中提取多余热量的成熟和成熟的方法主要依靠传导和对流的原理。传导提供了将热量从其产生的位置移动到系统中的其他位置，然后最终进入周围环境的手段。

例如，IC中产生的热可能通过电路板传导到设备的外壳中，或者通过对流散热到散热器中。在一些系统中，自然对流是足够的，但通常需要添加风扇以提供强制空气冷却。

然而，强制空气冷却并不总是热管理的选择。一些系统关闭，无法排出冷却空气，而在其他情况下，与冷却风扇相关的噪音可能不可接受。热电模块提供了这样的替代方案，并且实际上是可用于冷却和加热两者的固态热泵。

什么是Peltier热电模块？

大多数工程师在热电偶中用于测量温度的热电效应将是众所周知的。这种效应由Thomas Seebeck在19世纪初发现，当两个不同导体的接头之间存在温差时，会导致电流流动。

佩尔蒂斯（Jean Peltier）十年后发现的珀尔帖效应证明了相反的原理，通过传递电流通过两个不同的导体来发热或吸收热量。然而，只有通过半导体技术从20世纪中期的进步才能实现帕尔帖效应的实际应用，并且只有最近才有现代技术才能实现有效的热电模块。

Peltier热电模块的实现使用连接到电源并夹在导热金属化陶瓷衬底之间的N型和P型碲化铋半导体材料。成对的P / N半导体芯片串联电连接，但并联热排列以使模块的热和冷陶瓷表面之间的热传递最大化（参见图1）。

图1.珀尔帖模块的结构使用掺杂半导体颗粒的阵列

施加直流电压会使正电荷和负电荷载体吸收一个衬底表面的热量并将其转移并释放到相对侧的衬底上（见图2）。因此，吸收能量的表面变冷，能量释放的相反表面变热。反转极性反转了热和冷的两面。

图2.使用N型和P型碲化铋半导体材料的珀尔帖原理

Peltier模块的优点

如开始说的那样，使用Peltier模块的主要动机是它们是强制风冷不是选择的情况的理想选择。在密封设备/环境中。他们提供的其他主要优点包括：精确的温度控制和快速的温度响应：

• 对于任何在其热表面和冷表面之间具有已知温度差异的给定模块，存在确定需要应用以实现所需热吸收的电源电流的明确定义的关系。快速反馈电路允许将温度控制在一定程度以内。

紧凑的外形尺寸和轻便

• 珀耳帖模块可以非常紧凑，高度分布低至3mm。该功能对于需要尺寸和重量的应用特别有吸引力。
• 能够进行低于环境温度的冷却
• 因为Peltier模块提供主动冷却以去除热量，所以它们能够实现低于环境温度的温度。因此，制造商通常提供27°C以及50°C的热表面温度的性能数据。
• 由于固态结构，无可移动部件，可靠性高
• 与使用轴承寿命有限的风扇的强制空气冷却系统不同，Peltier模块没有可以磨损的移动部件。当以恒定温差运行时，典型的MTBF（平均故障间隔时间）可能为100,000小时。
• 环保
• 因为珀尔帖模块不使用制冷剂，因此在运行期间或设备在使用寿命结束时处置时，不会对环境造成风险。
• 可用于冷却或加热
• 通过反转电流，Peltier模块可用于将热量泵入系统，而不是提取热量。事实上，它们也可以用作热电发电机来从废热中收集能量。

arcTEC™结构 - 抗热疲劳的先进施工技术

常规制造的热电冷却器的已知缺点是热疲劳，其可能影响电互连（铜）和P / N半导体元件之间的焊接接合的完整性，以及互连和陶瓷衬底之间的焊料或烧结键，如图3所示。虽然这些接合技术通常会产生强大的机械，热和电接合，但它们是不灵活的，并且当经受普通珀尔帖模块操作的典型的重复加热和冷却循环时，它们会降解并最终失效。

图3.具有常规焊料和烧结键的珀耳帖模块结构

arcTEC™结构是由崔力设计和实施的Peltier模块的先进施工技术，用于抵抗热疲劳的影响。在arcTEC结构中，铜电互连和模块冷端侧的陶瓷基板之间的传统焊料接合被导热性树脂代替。该树脂在模块内提供弹性粘合，允许在正常珀耳帖模块操作的重复热循环期间发生的膨胀和收缩。该树脂的弹性降低了模块内的应力，同时实现了更好的热连接和优异的机械粘合，并且随着时间的推移表现出不显着的性能下降。

图4. CUI的arcTEC结构将冷陶瓷与树脂替代为铜键，并使用SbSn焊料代替常规BiSn焊料进行铜与半导体结合

随着树脂结合，具有arcTEC结构的模块使用SbSn焊料来代替通常用于P / N半导体元件和铜互连之间的BiSn焊料 - 参见图4.与其相比，其高达235℃的熔点高达138℃对于BiSn，SbSn焊料具有优异的耐热疲劳性能和更好的剪切强度。

arcTEC结构提供了改进的可靠性和热性能

珀尔帖模块内的接合故障表现为电阻的增加，并且通过重复的热循环使其复合。由于模块的预期寿命取决于这些键的质量，因此电阻随热循环次数的变化是故障的有用预测因素。它进一步证明了使用和不使用arcTEC结构构建的模块之间的差异，从图5所示的结果可以看出。

图5. arcTEC结构与具有标准结构的模块的可靠性

arcTEC结构提供的另一个进步是使用由高级硅制成的P / N元件，高于其他模块采用的2.7倍。这确保了更均匀的冷却性能，避免了不均匀的温度，有助于延长工作寿命的风险，同时与竞争的模块相比，冷却时间提高了50％以上 - 性能差距随热循环次数的增加而增加增加（见图6）。

图6.传统Peltier模块（顶部）和使用arcTEC结构（底部）构建的模块的IR温度分布之间的比较

结论

热电模块是设计工程师的另一个工具，他们必须克服越来越复杂的集成电路和其他电子元件产生的多余的热量，这些电子元件限制在越来越小的空间中。面对密封环境，强制空气冷却无效，珀耳帖模块成为理想的解决方案。此外，热电模块可实现精确的温度控制，并允许低于环境温度。

虽然作为热泵去除热量的热电模块的优点变得越来越普遍，但由于反复的加热和冷却循环引起的热疲劳，预期寿命的降低对传统的热电冷却器来说是一个问题。这个问题出现是因为连接模块的内部元件使其工作所必需的坚固但不灵活的键。

但是，由于在CUI的线路中实现了arcTEC结构

高性能Peltier模块

，这个问题已经遇到了它的匹配。与竞争设备相比，CUI的具有arcTEC结构的Peltier模块具有超过30,000个热循环的显着更好的可靠性，超过30,000个热循环以及大于50％的冷却时间改进，其中强制空气冷却不是可选的。 有关Peltier Devices的更多信息，请访问http://www.cui.com/catalog/components/thermal-management/peltier-devices

关于作者

Jeff Smoot是CUI公司应用工程副总裁