Peltier模块的可靠性考虑

由布鲁斯·罗斯

Peltier模块的可靠性考虑

Peltier模块,也被称为热电冷却器(TEC)或热电模块(TEM),是固体设备,当电力被应用时传递热量。与许多组件一样,Peltier模块的可靠性在应用中是非常重要的,所以有一些关于它们的构造和正确实现的基本知识是有益的。本文将概述Peltier模块的构建,总结常见故障机制和提高TEC可靠性的方法。

珀尔帖模块建设

Peltier模块是固态设备,不包含移动部件,可以在很大的温度范围内工作。本文讨论了Peltier模块的构造欧宝体育手机版iosob欧宝娱乐登录崔设备白皮书,但这里有一个快速的复习来帮助讨论。

Peltier模块的结构由正负掺杂的半导体材料芯块组成,放置在两块电绝缘但导热的陶瓷板之间。在每一陶瓷板的内表面上镀有金属的导电图案,并且半导体芯块焊接到导电图案上。这种模块配置将所有的半导体芯块电串联和机械并联。串联的电气连接能够产生所需的热效应,并联的机械配置使热量被其中一块陶瓷板(冷侧)吸收,并由另一块陶瓷板(热侧)释放。

典型Peltier模块结构图
典型的Peltier模块结构

Peltier模块故障机制

Peltier模块最常见的失效机制是半导体球团或相关焊点的机械断裂。这些断裂最初不会完全通过焊点或焊点传播,可以通过器件串联电阻的上升来检测。Peltier模块电阻的上升会导致整体“效率”的降低,但如果断裂完全在半导体球团或焊点上传播,则可能会发生完全失效。

机械拉伸或剪切

典型的Peltier模块应用包括将待冷却的对象放置在模块的冷板上,并在热侧放置散热片。如果散热片和待冷却物体附着在陶瓷板上,而没有任何其他机械结构来支撑散热物体和散热片,就容易发生机械故障。仅使用Peltier设备来支持物体或散热器可能会导致整个模块的大剪切或张力负载。Peltier模块不能承受散热器和冷板之间的大拉力或剪切力,如果施加这样的力,可能会断裂。

图中显示了一个典型的Peltier模块组件的张力和剪切力
典型Peltier模块装配中的张力和剪切力

在大多数应用中,散热片和被冷却的物体夹在一起,中间夹有Peltier模块。使用这种机械结构是因为Peltier模块可以承受来自夹钳的大压缩力,而夹钳可以吸收物体和散热器之间产生的任何剪切或张力。

Peltier模块上的机械剪切、拉伸和压缩应力示例图
Peltier模块上的机械剪切、拉伸和压缩应力的例子

机械压缩

虽然Peltier模块可以承受较大的压缩载荷,散热片和要冷却的物体必须以这样一种方式应用,夹紧力是甚至在Peltier模块。不均匀的夹紧力会产生扭矩以及陶瓷板之间的压缩力,这可能会导致机械故障。

在整个Peltier模块上产生压缩夹紧力的机械约束必须谨慎且均匀地应用。这样做将最大限度地减少施加到模块上的扭矩应力,并最大限度地减少损坏的可能性。

正确夹紧Peltier模块的示意图 图中显示了对Peltier模块的不正确的夹紧
正确和不正确地应用在Peltier模块上的夹紧示例

热循环

用于构造Peltier模块的陶瓷板和半导体芯块具有相关的热膨胀系数(CTE)。陶瓷CTEs和半导体CTEs的不匹配会导致机械应力,在加热或冷却模块时,会导致半导体芯块和焊点断裂。除了Peltier模块的绝对温度变化外,整个设备的热梯度和其温度的快速变化速率会引起CTEs造成的机械应力。在极端温度、大的温度梯度和高温转换速率下,都会产生更多的机械应力,从而导致设备故障。

污染物

Peltier模块中的半导体芯块、焊点和金属化导通路径可能会受到外界污染源的污染,这也可能导致故障。一个常见的解决方案,以最大限度地减少接触污染是应用密封珠周围的模块周边,两个陶瓷板之间。由于材料的机械顺应性,硅橡胶是一种常见的密封胶,但在严峻的操作环境中,硅橡胶可能不是有效的蒸汽屏障。环氧树脂可用于高蒸汽浓度的周边密封胶。然而,环氧树脂不像硅橡胶那样具有典型的机械顺应性。

Peltier模块可靠性改进

如上所述,机械应力会导致Peltier模块的焊点和半导体芯块出现裂纹。欧宝体育手机版iosob欧宝娱乐登录崔设备的arcTEC™结构,在其家族中发现珀尔帖模块由于其独特的结构,对抗热疲劳的影响,提高了模块的性能,可靠性和循环寿命。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有机械适应性,因此有助于减少传统Peltier模块结构中的应力和破裂。arcTEC结构中剩余的焊点采用高温锑焊料(SbSn, 235°C)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,有助于提高珀尔蒂埃模块的可靠性。欧宝体育手机版iosob欧宝娱乐登录CUI Devices的Peltier模块还提供了硅橡胶蒸汽屏障,增加了其机械依从性。其他蒸汽屏障,如环氧树脂,可根据要求提供。

下面的测试表明,与传统的Peltier模块相比,arcTEC结构的可靠性有所提高。图中显示,与arcTEC结构在更多次的热循环中更稳定的性能相比,传统模块结构的电阻迅速上升,故障随着电阻的增加而增加。

图中显示了改进的arcTEC结构与标准结构的热循环
改进arcTEC结构与标准结构的热循环

结论

由于Peltier模块对操作条件的依赖性很大,因此很难量化其可靠性。然而,许多因素已经被讨论,导致其可靠性的退化。一些因素与模块的机械安装有关(剪切和扭矩应力),而其他因素与操作条件有关(温度、温度梯度和温度转换速率)。化学污染在某些应用中也可能是一个问题。改进的Peltier模块组装技术,如CUI Devices的arcTEC结构中使用的技术,有助于减轻机械失效机制,从而有助于提高可靠性。ob欧宝娱乐登录欧宝体育手机版ios欧宝体育手机版iosob欧宝娱乐登录CUI Devices提供一系列具有各种尺寸和热额定值的Peltier设备,以最佳匹配您的应用程序的特定需求。

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布鲁斯·罗斯

布鲁斯·罗斯

技术因素

Bruce Rose在电子行业的设计、销售和市场营销工作了多年,他专注于模拟电路和电源交付。欧宝体育手机版ios他的工作经验包括组织和主持国际研讨会,在40多个技术会议和期刊上发表和发表文章,并获得了7项专利。在享受工作的同时,布鲁斯更享受与家人一起徒步旅行、骑自行车和划独木舟的时光,同时他也在追求自己对全尺寸和模型航空的热爱。

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