提高珀尔帖模块可靠性的重要因素

珀尔帖模块或热电冷却器 (TEC) 具有可靠的固态结构，并且能够实现精确的温度控制，因此越来越受欢迎。其基本工作原理是，在通电时将热量从模块的一侧传递到另一侧。与设计中的任何组件一样，珀尔帖模块的可靠性非常重要，因此，了解实现和结构基础知识可以极大地帮助设计人员正确应用。为了帮助工程师了解这一不断发展的技术，本文将简要回顾珀尔帖模块的结构以及要避免的常见故障机制，以提高整体可靠性。

基本结构

热电冷却器是不含运动部件的固态元件，可以在很宽的温度范围内工作。从更高的层面看，珀尔帖模块由置于两个电气绝缘但导热的陶瓷板之间的半导体颗粒组成。这些半导体颗粒还经过掺杂处理，以携带正电荷或负电荷。每块陶瓷的内表面上镀有导电金属图案；半导体颗粒会焊接到这些金属图案上，并采用电气串联和机械并联的方式进行配置。这些电气和机械配置最终形成了珀尔帖元件的基本热原理，即从冷侧陶瓷吸收热量，由热侧陶瓷排出热量。

有关这些基本原理和结构的更多信息，请参阅 Same Sky 的白皮书。

图 1：通用珀尔帖模块结构（图片来源：Same Sky）

常见故障机制

半导体颗粒或相关焊点会产生机械断裂，这是珀尔帖模块最常见的故障机制。尽管这些裂缝最初并不会扩展到整个颗粒或焊点上，但如果断裂完全扩散到这两个区域中的任何一个，就会发生完全故障。不过，只要观察到因珀尔帖模块的串联电阻增加导致的整体效率降低，就可以在完全故障之前检测出这些断裂。

张力和剪力

珀尔帖模块通常用于这样的应用中：TEC 模块的冷侧放在要冷却的物体上，并在热侧使用散热器来改善散热。但是，如果将散热器和要冷却的物体附着到陶瓷板上，而没有任何支撑性机械结构，则 TEC 模块上可能会出现较大的剪力或张力。由于珀尔帖模块无法承受这些类型的负载，因此这些力可能会使模块断裂或导致其他机械故障。

图 2：通用珀尔帖模块组件中的剪力或张力演示图（图片来源：Same Sky）

为了抵抗这些剪力或张力，许多珀尔帖模块会夹在物体和散热器之间，这是因为珀尔帖模块能够承受来自夹具的巨大压缩力。继而，夹具能够吸收来自物体和散热器的任何剪力或张力。

图 3：珀尔帖模块的常见应力（图片来源：Same Sky）

压缩力

虽然夹紧方式确实可以抵抗珀尔帖模块上的许多负力，但如果实施不当，这种方式也会产生自身的问题。在将散热器和物体夹紧到珀尔帖模块上时，必须均匀施加夹紧力以尽量减少 TEC 模块上的扭转应力，从而减少损坏的可能性。不均匀的夹紧力会产生扭转和压缩力，从而导致机械故障。

图 4：珀尔帖模块的正确和不正确夹紧情形（图片来源：Same Sky）

热循环

热电冷却器的陶瓷板和半导体颗粒都有相应的热膨胀系数 (CTE)。当 TEC 模块经过加热和冷却热循环时，陶瓷和半导体 CTE 不匹配会产生机械应力，导致半导体颗粒和焊点断裂。除了珀尔帖模块绝对温度的变化外，模块温度的热梯度和快速变化率也会产生由 CTE 引起的机械应力。在温度梯度大和温度转换速度高的极端温度条件下，操作 TEC 模块也会产生机械应力，增加元件故障的机率。

外部污染物

对于珀尔帖模块的半导体颗粒、焊点和金属化传导图案而言，暴露于外部污染物是发生机械故障的另一个途径。为了尽量减少接触这些污染物，通常会在两块陶瓷板之间的 TEC 模块周围涂上密封胶。在典型的密封胶方法中，硅橡胶因其机械顺应性而被广泛使用。然而，在极端工作条件下，它不能有效地用作防潮层。为了克服这一不足，可在高蒸气环境中使用环氧树脂来替代密封胶，但它缺乏硅橡胶的机械顺应性。最终，每种密封胶的权衡取舍取决于最终应用及其工作条件。

提高可靠性

为了抵抗可能导致珀尔帖模块的焊点和半导体颗粒断裂的机械应力，Same Sky 开发了 arcTEC™ 结构。这种独特的结构已经在 Same Sky 的高性能珀尔帖模块上实现，可提高可靠性、循环寿命和性能。arcTEC 结构通过在 TEC 模块的冷侧用导电树脂替换焊点来抵消热疲劳的影响，这种树脂比焊料具有更好的机械顺应性。这有助于尽量减少传统珀尔帖模块结构中可能发生的应力和断裂。然后用高温锑焊料 (SbSn, 235°C) 替换其余焊点，这种焊料比更传统的低温铋焊料 (BiSn, 138°C) 更能承受机械应力。Same Sky 的珀尔帖模块还采用了前面提到的硅橡胶防潮层，以增加环氧树脂和其他可根据要求提供的防潮层的机械顺应性。

为了展示 arcTEC 结构的更高可靠性，下图绘制了电阻与热循环次数的关系。电阻变化的增加会导致故障机率增加，我们可以清楚地看到，与标准珀尔帖模块相比，Same Sky 的 arcTEC 结构在更高热循环次数下性能更稳定。

图 5：展示 arcTEC 结构性能更可靠的图形（图片来源：Same Sky）

结语

许多因素可以导致珀尔帖模块性能和可靠性的提高或降低，包括机械安装、工作条件和外部污染物。选择珀尔帖模块时，遵循正确的安装实践和工作参数非常重要。Same Sky 的 arcTEC 结构已在该公司的许多珀尔帖模块中采用，可以帮助减轻一些常见的故障机制，提高整体可靠性。Same Sky 拥有各种尺寸和热额定值的珀尔帖器件，可提供多种选择来满足工程师的热管理需求。