【導讀】珀耳帖（Peltier）模塊是一種相當出色的冷卻解決方案，非常適合高密度、大功率醫療和工業應用，以及不能選擇強制空氣冷卻的制冷和密封環境。本文將為您介紹珀耳帖模塊的功能特性，以及由CUI Devices所提供的珀耳帖模塊的產品特色與優勢。
運用珀耳帖效應提供更佳的冷卻能力
珀耳帖模塊，也稱為熱電冷卻器（thermoelectric coolers, TEC）或熱電模塊（thermoelectric modules, TEM），是一種固態器件，不包含移動部件，在通電時會傳遞熱量，可在很寬的溫度范圍內運行。其理論基礎是來自珀耳帖效應（Peltier effect），這個現象由法國物理學家Jean Peltier在1834年所發現。
珀耳帖模塊的結構由正負摻雜的半導體材料顆粒組成，它們放置在兩個電絕緣但導熱的陶瓷板之間。金屬的導電圖案鍍在每個陶瓷板的內表面上，并且半導體小球被焊接到導電圖案上。這種模塊配置將所有半導體芯片電氣串聯和機械并聯。串聯的電氣連接實現了所需的熱效應，而并聯機械配置使熱量被其中一個陶瓷板（冷側）吸收，并由另一個陶瓷板（熱側）釋放。
典型的珀耳帖模塊常見的故障原因
珀耳帖模塊最常見的故障情況是半導體芯片或相關焊點的機械斷裂，這些斷裂最初不會完全通過芯片或焊點傳播，并且可以通過器件串聯電阻的上升來檢測。珀耳帖模塊電阻的上升會導致其整體 “效率” 降低，但如果斷裂完全傳播到半導體芯片或焊點上，則可能會發生完全故障。
典型的珀耳帖模塊應用包括將要冷卻的物體放置在模塊的冷板上，并將散熱器放在熱側。如果散熱器和要被冷卻的物體粘附在陶瓷板上，而沒有任何其他機械結構來支撐冷卻的物體和散熱器，則很可能發生機械故障。僅使用珀耳帖器件來支撐物體或散熱器，可能會在模塊上產生較大的剪切或拉伸載荷。珀耳帖模塊無法承受散熱器和冷板之間的大張力或剪切力，并且如果遇到過大的這些力可能會導致破裂。
在大多數應用中，散熱器和要被冷卻的物體夾在一起，中間則有珀耳帖模塊。使用這種機械配置是因為珀耳帖模塊可以承受來自夾具的大壓縮力，而夾具則吸收物體和散熱器之間產生的任何剪切或拉伸應力。
盡管珀耳帖模塊可以承受較大的壓縮載荷，但散熱片和要被冷卻的物體必須在珀爾帖模塊上施以均勻的夾緊力，不均勻的夾緊力會在陶瓷板之間產生扭矩和壓縮力，從而導致機械故障。在珀爾帖模塊上產生壓縮夾緊力的機械約束必須小心且均勻地應用，這樣做將最大限度地減少施加在珀耳帖模塊上的扭矩應力，并最大限度地減少損壞的可能性。
此外，用于構建珀耳帖模塊的陶瓷板和半導體顆粒具有相關的熱膨脹系數（coefficients of thermal expansion, CTE）。陶瓷和半導體CTE的不匹配會導致機械應力，當模塊被加熱或冷卻時，可能會在半導體芯片和焊點中引發斷裂。除了珀耳帖模塊的絕對溫度變化之外，器件上的熱梯度和其溫度的快速變化率也會由于CTE引起機械應力。在極端溫度、大溫度梯度和高溫轉換速率下運行都會產生增加的機械應力，從而導致器件故障。
另一方面，珀耳帖模塊中的半導體芯片、焊點和金屬化傳導路徑可能會受到外部污染，這也可能導致故障。將污染暴露降至最低的常見解決方案，是在兩個陶瓷板之間的模塊周邊周圍涂上密封膠珠。由于材料的機械柔順性，硅橡膠是一種常見的密封劑，但在惡劣的操作環境中，硅橡膠可能無法有效地用作蒸汽屏障。環氧樹脂可用作存在高蒸氣濃度的周邊密封劑，然而，環氧樹脂通常不像硅橡膠那樣具有機械柔順性。
采用arcTEC?結構的珀耳帖模塊擁有更佳表現
如上所述，機械應力會導致珀耳帖模塊的焊點和半導體芯片出現裂紋。CUI Devices研發出采用arcTEC?結構的珀耳帖模塊系列，由于其獨特的結構可以抵抗熱疲勞的影響，從而提高了模塊的性能、可靠性和循環壽命。
CUI Devices采用arcTEC?結構的珀耳帖模塊系列，首先用導電樹脂替換模塊冷側的焊點。這種樹脂比焊料更具機械柔順性，可允許在珀耳帖模塊操作的重復熱循環期間發生熱膨脹和收縮，因此有助于最大限度地減少傳統珀耳帖模塊結構中發生的應力和斷裂，從而實現更好的熱連接、卓越的機械粘合，并且性能不會隨著時間的推移而明顯下降。
在arcTEC結構中的其余焊點則由高溫銻焊料（SbSn，235°C）制成，而不是更常見的低溫鉍焊料（BiSn，138°C）。銻焊料比鉍焊料更能承受機械應力，具有出色的抗熱疲勞性和更好的剪切強度，這有助于提高珀耳帖模塊的可靠性。CUI Devices的珀耳帖模塊還配有硅橡膠防潮層，以增加其機械合規性，并可根據要求提供其他防潮層，例如環氧樹脂。
arcTEC結構內的導熱樹脂和銻焊點的綜合作用，對珀耳帖模塊的可靠性和使用壽命產生了巨大影響。珀耳帖模塊的預期壽命與接合的質量直接相關，主要的失效原因是模塊內的接合發生熱疲勞，從而導致模塊內的電阻增加。由于在重復的熱循環過程中發生的內應力，這種效應更加復雜。使用arcTEC結構構建的珀耳帖模塊在超過30,000次熱循環時的電阻變化幾乎可以忽略不計，擁有絕佳的效能表現。
除了卓越的可靠性和模塊壽命之外，采用arcTEC結構構建的珀耳帖模塊還提供增強的熱性能。這些珀耳帖模塊集成了由優質硅錠制成的P/N組件，其尺寸是市場上其他熱電模塊使用的組件的2.7倍。這會對熱性能產生重大影響，因為更大的組件會導致更快、更均勻的冷卻。對于采用arcTEC結構構建的單元，以紅外檢測顯示陶瓷基板表面的溫度分布均勻。
相比之下，傳統裝置表現出多種溫度變化，表明冷卻性能下降和使用壽命縮短的風險更高。這些溫度變化可能是由較差的P/N組件質量、較小的組件尺寸或模塊內的焊接質量差引起的。使用較大P/N組件的模塊以更快的速度冷卻并且不會降低性能。在現場測試中，采用arcTEC結構的模塊與競爭模塊相比，冷卻時間提高了50%以上。這種顯著差異可歸因于P/N組件的尺寸和質量，以及arcTEC結構提供的更高可靠性。隨著熱循環次數的增加和傳統模塊的電阻變化繼續增長，這種差距會擴大。
多樣化珀耳帖模塊系列產品滿足不同應用需求
CUI Devices的高性能珀耳帖模塊系列產品包含有單級珀耳帖模塊，其具有緊湊、輕便的外形和無移動部件的固態結構，得益于精確的溫度控制和響應，使其成為高度可靠的冷卻解決方案。此外還有多級珀耳帖模塊，通過堆疊兩個模塊以提高熱泵能力，能夠實現高達105℃的更高溫度增量，同時保留單級熱電冷卻器的固態優勢。另外還有珀耳帖冷卻裝置，其具有更好的防水和吸收熱應力的密封結構，無需擰緊螺釘，從而更好地吸收熱量、最大性能和更容易安裝。
CUI Devices的高性能珀耳帖模塊系列的尺寸從3.4毫米到70毫米不等，輪廓低至1.95毫米，ΔTmax高達95℃（Th=50℃），額定電流從0.7 A到20 A，以及具有70到105℃的溫度增量。這些珀耳帖模塊擁有可靠的固態結構、精確的溫度控制和安靜的運行能力，非常適合醫療和工業應用，以及不能選擇強制空氣冷卻的設計。若想知道更多關于CUI Devices珀耳帖模塊的產品信息，請到艾睿電子的網站搜尋：
https://www.arrow.com/zh-cn/products/search?cat=&q=Thermoelectric+Cooler+Peltier+Modules+CUI+Devices&r=true
結語
CUI Devices的珀耳帖模塊通過專注于減輕熱疲勞的影響和優化P/N組件，其性能遠遠優于傳統結構的熱電冷卻器，arcTEC結構中實施的這些增強功能共同提供了滿足最苛刻應用所需的改進性能和可靠性，這些珀耳帖模塊會是高密度、大功率醫療和工業應用的理想選擇。
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