散热设计（六）微热电致冷器之特性及发展

散热设计（六）微热电致冷器之特性及发展
陈启川、刘君恺、郑忆湘


随着网络及通讯技术的快速发展，对讯号传输的品质及速度要求越来越高，器件性能提升，而封装的趋势朝向轻薄短小，造成器件的发热密度不断提升。如果热无法迅速散去，会造成产品可靠度降低，甚至损毁的严重后果。对于光通讯器件而言，除了散热，温度的控制更为重要，例如温度的变化会影响主动器件如光收发器Laser Diode或Tunable laser的输出功率稳定度而影响讯号品质，也会造成被动器件如AWG 等的光波长偏移而失效。许多高功率电子以及光通讯器件在研发过程中，热的问题已成为技术发展的瓶颈。以CPU为例，到2005年时，CPU发热量会从现在的61W增加到96W，传统的散热方式如散热片及风扇等，已无法满足需求。而水冷及冷冻循环则有成本高、体积大以及污染等问题，因此无噪音、无污染、冷却温度低的热电模块开始受到重视。

热电器件又称致冷器，目前应用的热电器件是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才开始出现真正的应用装置，然而其理论基础Peltier Effect却可追溯到19世纪。于1821年德国科学家Thomas Seeback观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为Seeback Effect，这也成为了温差发电技术的基础。而到了1834 年，才由物理学家Jean Peltier，发现不同的介质交接处，因应电流方向的不同会产生致冷或加热的效果，其产生冷热温差之幅度由电流大小而定，这个现象则称之为Peltier Effect，是为Seeback Effect的逆效应。其说明如图一所示， X及Y两种不同的金属导线构成一封闭回路，在通上电源之后，A点的热量将被移到B点，而导致A点温度降低，B点温度升高。直到近代，随着半导体的蓬勃发展，利用半导体的特性，可使材料的热电转换性能大幅提升，如Bi2Te3、PbTe 等材料的应用，以及各种新制程如长晶、烧结等技术的开发，使得商业化的产品有了更多的应用。于是在热电技术上开始了蓬勃的发展。
　

　





(图一) Peltier Effect原理示意图

　


目前热电器件在电子及光电器件方面已有重要的应用，而新的材料及设计技术也不断的在发展，以进一步提升微热电器件的性能。本文将详细介绍热电器件的结构、特性、应用以及未来的发展方向。

　  
热电器件之结构

(图二)为一个实际应用之热电器件的典型结构，从图中可看出其主要结构包含有上下两片陶瓷板以及中间的N型和P型半导体材料(主要材料为碲化铋Bismuth Telluride)，其中N型和P型半导体材料之颗粒依序排列，再以一般的导体物质将N型和P型颗粒串联,而使之成为一完整线路，串联用的导体材料通常是铜、铝或是其它金属，最后再由两片陶瓷片，将N、P材料像夹心饼干一样地包夹起来。因此在热电器件结构中最重要也最基本的单元便是热电偶(thermocouple)，而数个热电偶串联便组成热电堆(thermopile)，所以将之阐述地更详细点，即是:一个热电偶包含有两个热电单元，其各为N型和P型的半导体，而若有多组N型和P型的半导体相串联，此时则称为热电堆。现针对此热电器件，将其各部结构做详细地说明。
　

　





(图二) 热电模块结构及作用示意图

　


1.基板：

具电性隔离、提供冷热端面之传导、增强热电致冷器结构强度之作用。常用陶瓷材料制成，如Al2O3(氧化铝)、BeO(氧化铋)、AIN（氮化铝)等。其传导系数以及电阻系数如(表一)所示。从(表一)中不难看出，在这些材料中，以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，然而虽然以BeO (氧化铋)、AIN(氮化铝)的热传导率较高，但因BeO具有毒性而较少人使用；而另一方面AIN之制作成本又为Al2O3十倍以上，故一般在陶瓷机板材料的选用上以Al2O3的使用较为广泛。
　





(表一) 常用陶瓷基板之材料系数

　


2.热电材料：

是一种将电能与热能交互转换的材料，其材料需具备有高导电性的特质，以避免因电阻太大而引起电功率之损失，此材料同时亦需为高热阻物质，以不使冷热两端的温差因热传导而改变。因此，其材料不仅需要N型和P型半导体特性，还要能够根据掺入杂质的不同，进而改变半导体内因温度差造成的电动势，而其导电率和导热率均能满足前述的需求。目前常用的热电材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P 型材是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。

目前热电材料的选择可依其运作温度分为三类：

(1).碲化铋(Bismuth telluride)及其合金：
这是时下被广为使用于热电致冷器的材料，低温其最佳运作温度(＜450℃)。

(2).碲化铅(Lead telluride)及其合金：
这是时下被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。

(3).硅锗合金(Silicon Germanium):
此材料亦常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300℃。
　

　





(图三) 热电材料之各项参数与温度之关系图

　

　


材料的效率可由定义材料性质的ZT值(Figure of merit)来评估，其ZT的定义如式(1)。

ZT=S2T

heh 谢谢分享阿 收藏了。。。

提問-回答!
目前我们真在研发测试制冷片，但效果和网上所讨论的有交大的误差！不只是我们的设计方法有问题还是网上吹嘘！问题点：1。目前我设计为制冷片是放在中间，下面2根U型heatpipe ，上面2根L型 heatpipe 散热效果也是能解cpu 100W左右，（制冷片为40W）,cpu温度已经到70度了！！！而且照这样，其实成本并不底啊，我就看网上一款卖2k多！是哪里设计有问题吗？？？ 还请指教啊1！！！有了解的可以留下電話哦,我們直接交流效率會更快哦!!

期待楼主更多好贴！

感謝分享!!! 終於了解那是什麼了