原创陶瓷基板用于精密半导体制冷片封装的优势

 2023-4-3 15:35  1614 5 5 分类: PCB

半导体制冷片是一种基于半导体材料热电效应原理制冷的装置。它由一系列电子元件（如P型半导体、N型半导体等）组成，当电流通过这些元件时，会发生热电效应，产生冷热差，从而使制冷片一侧的温度下降，另一侧的温度上升，实现制冷效果。传统半导体制冷片通常体积较大，制冷量有限，主要用于小型制冷设备或电子器件中的温度控制。微型半导体制冷片是一种新型的制冷技术，它通常是采用微电子加工技术将半导体材料和制冷结构制成微米级别的微型制冷装置，其体积小、效率高，可以实现更精确的温度控制。与传统的制冷片相比，微型半导体制冷片具有更小的尺寸和更低的功率需求，通常用于微型电子设备的散热和温度控制。

微型半导体制冷片的工作原理与传统的半导体制冷片相同，只是由于其尺寸更小，需要更高的制冷精度和更好的散热性能。帕尔帖效应是半导体制冷片的理论原型，1834年法国人帕尔帖发现当电流流经两个不同导体形成的接触点时，电子能级会发生跳跃，这种现象被叫做帕尔帖效应。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。如果将热电偶的闭合回路改成如图所示，就可以获得一个完全相反的现象，我们称之为珀尔帖效应。

当在两个节点T1和T2输入一个电压Vin，回路中会产生一个相应的电流I。接头A处的热量会被吸收，从而产生一个微弱的制冷现象，而在另一个接头B处，随着热量流入，温度会升高。鉴于这个效应是可逆的，所以如果将电流反向，热流的方向也随之反向。珀尔帖效应的数学公式可以表示成：Qc或者Qh=pxy×I，其中，pxy代表两种材料x和y的珀尔帖系数之差，单位是V； I是电流，单位是A；Qc和Qh分别代表制冷和加热的速率，单位是w。随着电流的流动，导体中同时也会产生焦耳热，大小可以用I2R（R是电路中的电阻）表示。这个焦耳热效应与珀尔帖效应相反，将导致制冷器制冷效果的降低。

半导体制冷片的主要制冷组件是N、P两种半导体材料，当电子从低能量的P型材料流向高能量的N型材料时，电子会从低能级向高能级跳跃，这时表现为电子需要吸热，从而在这个节点处形成冷面（制冷片的冷面）；相反当电子从高能量的N型材料流向低能量的P型材料时，电子会从高能级向低能级跳跃，这时表现为电子需要放热，从而在这个节点处形成热面（制冷片的热面）。如图所示，制冷片是由NP型热电材料组成的电路（一般为串联电路）。

目前商业化的碲化铋基热电材料的帕尔帖效应最为明显，即电子能级跳跃的更高，相应的制冷效率更高。在全世界范围内，普遍商业化的半导体制冷片还是碲化铋基为主（以碲化铋为基材，做不同的掺杂形成P级和N级）。

基于以上物理效应，微型制冷片是为小尺寸和大电压输入应用而特别设计的，采用高强度碲化铋热电材料和高导热高绝缘陶瓷基板组装而成，适合于高电压、低电流、小尺寸的应用场合。目前，微型半导体制冷片的技术正在不断发展，其应用前景也非常广阔。微型制冷片的工艺要求非常高，主要包括以下几个方面：

1.材料选择：微型制冷片的材料需要满足制冷性能、可靠性、机械强度、耐腐蚀性等多方面的要求。微型制冷片的封装基板材料对其性能和稳定性有着重要的影响，目前常用的封装基板材料主要包括氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷等。而氮化铝陶瓷基板由于其具有以下优点，因此被广泛地用于微型制冷片的制备中：a.热导率高：氮化铝陶瓷具有较高的热导率，可以更有效地散热，从而提高微型制冷片的制冷效率。b.热膨胀系数低：氮化铝陶瓷的热膨胀系数比氧化铝低，因此更适合与制冷芯片进行配合，可以有效减小由于热膨胀系数不匹配导致的热应力和热裂纹的问题。c.化学稳定性好：氮化铝陶瓷具有良好的化学稳定性，可以耐受多种酸、碱和有机溶剂等化学介质的腐蚀，从而延长微型制冷片的使用寿命。d.机械强度高：氮化铝陶瓷的机械强度和硬度高，不易发生破裂和变形等问题，可以保证微型制冷片的稳定性和可靠性。

2.制备工艺：微型制冷片的制备需要采用微纳加工技术，如光刻、薄膜沉积、离子注入等。同时需要保证加工的精度和一致性，以及降低工艺中产生的缺陷和污染。斯利通陶瓷在生产工艺中采用先进光刻胶膜，通过高精度曝光机对位显影，可实现线路对位精度控制在±10um，线路线宽线距公差控制在10%。

3.封装技术：微型制冷片的封装需要保证其稳定性和可靠性，同时也需要考虑散热问题。常见的封装材料包括环氧树脂、硅胶等。为了避免制冷性能的降低以及对制冷材料可能引起的电化学腐蚀，热电制冷器需要隔绝潮气。当温度降低到露点以下时，为了避免水汽渗入制冷器内部，应该安装有效的防潮密封保护。这层防潮保护层应该围绕着热电制冷器安装在散热片和被冷却物体之间。电子级RTV硅胶可以直接用作热电制冷器的防潮保护层。使用可变形的闭孔泡沫绝缘胶带或薄片材料，适当的结合RTV来填充空隙，就可以用来在被冷却物体和散热器之间形成保护层。

4.测试技术：对微型制冷片的测试需要使用高精度的测试设备和技术，如电学测试、热学测试等。热电制冷器的失效一般分为两种：早期失效和性能衰减。性能衰减一般是在长期使用之后由于半导体材料性能参数的变化或者接触电阻的增加所引起的。长期在高温下使用会引起半导体材料性能参数的变化从而降低制冷器的制冷性能。将热电制冷器在很宽的温度范围内进行持续的冷热循环，可以看成是对制冷器进行可靠性测试，特别是在循环过程中将制冷器的热端温度升高到很高的温度。这种失效一般表现为早期失效，而有时也会在失效之前观察到性能衰减。

总之，微型制冷片的制备需要高度精密和专业的加工和封装技术，并需要多种测试手段来保证其质量和性能。其中选择和优化制冷材料是关键因素之一。可以从以下方法着手A.选择合适的材料：半导体材料的热电性能与其化学成分、晶体结构、掺杂浓度和载流子迁移率等因素有关。通常选择热电性能好、稳定性高、成本低廉的材料。B.控制晶格缺陷：晶格缺陷会对材料的电子输运和热电性能产生负面影响。因此，需要对材料进行掺杂和表面处理等方法，以控制晶格缺陷。C.提高载流子迁移率：载流子迁移率是影响半导体材料热电性能的关键因素之一。通过控制掺杂浓度和晶格结构等方法，可以提高载流子迁移率。D.优化热电模块结构：热电模块结构的优化可以改善半导体材料的热电性能。例如，通过优化电极结构和电场分布等方法，可以提高热电模块的制冷效率。E.利用纳米材料：纳米材料具有较高的表面积和体积比，可以提高热电材料的能力。因此，利用纳米材料来制备半导体材料可以提高其热电性能。

由于微型制冷片具有体积小、高效、节能、环保等优点，被广泛应用于纳米技术、传感器、医疗设备等多个领域。比如电子设备领域：微型制冷片可以应用于高性能电子设备，如计算机芯片、激光器等，通过控制设备的温度，可以提高设备的性能和可靠性。光电设备领域：微型制冷片可以用于制冷光电探测器、半导体激光器等光电设备，提高其性能和灵敏度。生物医学领域：微型制冷片可以用于冷冻切片技术、冷冻保存、细胞培养等。通过快速降温可以减少细胞损伤，提高冷冻效果。汽车电子领域：微型制冷片可以用于制冷车载电子设备，如空调控制器、导航仪等。可以提高车载电子设备的工作效率和稳定性，同时减少汽车燃料的消耗。航空航天领域：微型制冷片可以用于卫星、飞机等高空设备的制冷和温控，提高设备的可靠性和性能。新能源领域：微型制冷片可以用于新能源技术，如太阳能电池板等，通过制冷可以提高太阳能电池的转化效率，减少能量损失。