TEC 半導(dǎo)體制冷片的特性與散熱理論設(shè)計、仿真
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正文
隨著網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)的快速發(fā)展，對訊號傳輸?shù)钠焚|(zhì)及速度要求越來越高，器件性能提升，而封裝的趨勢朝向輕薄短小，造成器件的發(fā)熱密度不斷提升。如果熱無法迅速散去，會造成產(chǎn)品可靠度降低，甚至損毀的嚴重后果。對于光通訊器件而言，除了散熱，溫度的控制更為重要，例如溫度的變化會影響主動器件如光收發(fā)器Laser Diode或Tunable laser的輸出功率穩(wěn)定度而影響訊號品質(zhì)，也會造成被動器件如AWG 等的光波長偏移而失效。許多高功率電子以及光通訊器件在研發(fā)過程中，熱的問題已成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。以CPU為例，到2005年時，CPU發(fā)熱量會從現(xiàn)在的61W增加到96W，傳統(tǒng)的散熱方式如散熱片及風(fēng)扇等，已無法滿足需求。而水冷及冷凍循環(huán)則有成本高、體積大以及污染等問題，因此無噪音、無污染、冷卻溫度低的熱電模塊開始受到重視。
熱電器件又稱致冷器，目前應(yīng)用的熱電器件是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置，于1960年左右才開始出現(xiàn)真正的應(yīng)用裝置，然而其理論基礎(chǔ)Peltier Effect卻可追溯到19世紀。于1821年德國科學(xué)家Thomas Seeback觀察到，當(dāng)兩種不同的金屬構(gòu)成一閉合回路，若在兩接合點存在有溫度差時，則回路中將產(chǎn)生電流，此種效應(yīng)被命名為Seeback Effect，這也成為了溫差發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)。而到了1834 年，才由物理學(xué)家Jean Peltier，發(fā)現(xiàn)不同的介質(zhì)交接處，因應(yīng)電流方向的不同會產(chǎn)生致冷或加熱的效果，其產(chǎn)生冷熱溫差之幅度由電流大小而定，這個現(xiàn)象則稱之為Peltier Effect，是為Seeback Effect的逆效應(yīng)。其說明如圖一所示， X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線構(gòu)成一封閉回路，在通上電源之后，A點的熱量將被移到B點，而導(dǎo)致A點溫度降低，B點溫度升高。直到近代，隨著半導(dǎo)體的蓬勃發(fā)展，利用半導(dǎo)體的特性，可使材料的熱電轉(zhuǎn)換性能大幅提升，如Bi2Te3、PbTe 等材料的應(yīng)用，以及各種新制程如長晶、燒結(jié)等技術(shù)的開發(fā)，使得商業(yè)化的產(chǎn)品有了更多的應(yīng)用。于是在熱電技術(shù)上開始了蓬勃的發(fā)展。
(圖一) Peltier Effect原理示意圖
目前熱電器件在電子及光電器件方面已有重要的應(yīng)用，而新的材料及設(shè)計技術(shù)也不斷的在發(fā)展，以進一步提升微熱電器件的性能。本文將詳細介紹熱電器件的結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用以及未來的發(fā)展方向。
熱電器件之結(jié)構(gòu)
(圖二)為一個實際應(yīng)用之熱電器件的典型結(jié)構(gòu)，從圖中可看出其主要結(jié)構(gòu)包含有上下兩片陶瓷板以及中間的N型和P型半導(dǎo)體材料(主要材料為碲化鉍Bismuth Telluride)，其中N型和P型半導(dǎo)體材料之顆粒依序排列，再以一般的導(dǎo)體物質(zhì)將N型和P型顆粒串聯(lián),而使之成為一完整線路，串聯(lián)用的導(dǎo)體材料通常是銅、鋁或是其它金屬，最后再由兩片陶瓷片，將N、P材料像夾心餅干一樣地包夾起來。因此在熱電器件結(jié)構(gòu)中最重要也最基本的單元便是熱電偶(thermocouple)，而數(shù)個熱電偶串聯(lián)便組成熱電堆(thermopile)，所以將之闡述地更詳細點，即是:一個熱電偶包含有兩個熱電單元，其各為N型和P型的半導(dǎo)體，而若有多組N型和P型的半導(dǎo)體相串聯(lián)，此時則稱為熱電堆?，F(xiàn)針對此熱電器件，將其各部結(jié)構(gòu)做詳細地說明。
(圖二) 熱電模塊結(jié)構(gòu)及作用示意圖
1.基板：
具電性隔離、提供冷熱端面之傳導(dǎo)、增強熱電致冷器結(jié)構(gòu)強度之作用。常用陶瓷材料制成，如Al2O3(氧化鋁)、BeO(氧化鉍)、AIN（氮化鋁)等。其傳導(dǎo)系數(shù)以及電阻系數(shù)如(表一)所示。從(表一)中不難看出，在這些材料中，以BeO (氧化鉍)、AIN(氮化鋁)的熱傳導(dǎo)率較高，然而雖然以BeO (氧化鉍)、AIN(氮化鋁)的熱傳導(dǎo)率較高，但因BeO具有毒性而較少人使用；而另一方面AIN之制作成本又為Al2O3十倍以上，故一般在陶瓷機板材料的選用上以Al2O3的使用較為廣泛。
(表一) 常用陶瓷基板之材料系數(shù)
2.熱電材料：
是一種將電能與熱能交互轉(zhuǎn)換的材料，其材料需具備有高導(dǎo)電性的特質(zhì)，以避免因電阻太大而引起電功率之損失，此材料同時亦需為高熱阻物質(zhì)，以不使冷熱兩端的溫差因熱傳導(dǎo)而改變。因此，其材料不僅需要N型和P型半導(dǎo)體特性，還要能夠根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，進而改變半導(dǎo)體內(nèi)因溫度差造成的電動勢，而其導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率均能滿足前述的需求。目前常用的熱電材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P 型材是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。
目前熱電材料的選擇可依其運作溫度分為三類：
(1).碲化鉍(Bismuth telluride)及其合金：
這是時下被廣為使用于熱電致冷器的材料，低溫其最佳運作溫度(＜450℃)。
(2).碲化鉛(Lead telluride)及其合金：
這是時下被廣為使用于熱電產(chǎn)生器的材料，其最佳運作溫度大約為1000℃。
(3).硅鍺合金(Silicon Germanium):
此材料亦常應(yīng)用于熱電產(chǎn)生器，其最佳運作溫度大約為1300℃。
(圖三) 熱電材料之各項參數(shù)與溫度之關(guān)系圖
材料的效率可由定義材料性質(zhì)的ZT值(Figure of merit)來評估，其ZT的定義如式(1)。
ZT=S2Tσ/K (1)
其中
S 為熱電勢(thermoelectric power or Seebeck coefficient) (V)
T 為絕對溫度(K)
σ為電導(dǎo)率(electrical conductivity) (1/Ohm)
K 為熱傳導(dǎo)系數(shù)(thermal conductivity) (W/mK)
在熱電材料中，為有一較高之ZT 值，則材料必須有高的熱電勢(S)，高的電導(dǎo)率(σ)與低的熱傳導(dǎo)系數(shù)(K)。但我們可由(圖四)看出，要增加普通材料之ZT 值相當(dāng)困難，因為當(dāng)導(dǎo)電率增加時熱導(dǎo)率也會同時跟著增加。事實上，從(表二)可以知道，碲化鉍(Bi2Te3)一直是具有最高之ZT 值之材料，其在室溫下之ZT 約為0.52，而有碲摻雜之Bi2Te3-Bi0.5Sb1.5Te3 材料其ZT 值則約為1.0。
(圖四) 單級(a)及多級(b)之熱電模塊
(表二) 熱電材料之材料系數(shù)
3.焊料(solders):
一般而言焊料需比融化點溫度高20℃-30℃，標準型熱電模塊高達120℃，高溫型熱電模塊高達200℃，(表三)所列內(nèi)容是為常用焊料之組成成分百分比，以及其熔點溫度之比較。
(表三) 熱電致冷器中常用之焊料
熱電器件之工作原理及應(yīng)用
熱電器件之工作原理可以單一組N型和P型材上之現(xiàn)象來說明：因為N型半導(dǎo)體的載子為電子，P型半導(dǎo)體的載子為電洞，所以不同型的熱電單元，其電流方向會相反，因此N型半導(dǎo)體的電子和P型半導(dǎo)體的電洞是往同方向流動的，其中半導(dǎo)體的載子會成為傳熱的媒介，而外加的直流電源則提供了電子流動所需的能量。所以在每個熱電單元上，載子流的起點均為冷端(cold side)，終點均為熱端(hot side)，所以在通上電源后，電子由負極(-)出發(fā)，首先經(jīng)過P 型半導(dǎo)體，于此吸收熱量，到了N 型半導(dǎo)體處，又將熱量放出，每經(jīng)過一組N、P模塊，就有熱量由一端被送到另外一端，因為這種主動式地將熱量泵送，而造成溫差，形成冷熱端。當(dāng)電流方向相反，熱量傳遞的方向也會相反，利用此原理可做溫度控制之用。另一方面，如在基板上方給予熱量，造成兩側(cè)基板的溫度差，則會產(chǎn)生電流，利用此效應(yīng)可做為廢熱發(fā)電之用。
熱電致冷器因為具有許多優(yōu)點，所以可以廣泛地應(yīng)用在許多場合，其主要特點整理如下：
1.不需使用任何冷卻劑，可連續(xù)工作，無污染、無動件、無噪音，壽命長，安裝容易，且體積小重量輕，維護容易。
2.具有兩種功能，既能致冷，又能加熱(效率高)，透過改變電流方向達冷卻或加熱兩種不同目的，并可做為多級的應(yīng)用方式，可使效率更高，如圖四所示。
3.其冷卻方式為主動冷卻，而能致冷使溫度低于室溫，一般的散熱片為被動冷卻，溫度需要高于環(huán)境才有散熱功能。若于熱電器件之熱端接上相同的散熱片，因熱電器件為主動冷卻，不斷帶走冷端的熱量，所以冷端可以低于室溫，可做為高發(fā)熱功率之電子器件冷卻之用，對于器件的性能提升有很大的幫助，如圖五(a)所示。
(圖五) 熱電模塊于電子及光電器件之應(yīng)用
(a)IC package (b)AWG (c)Transceiver (d) IR sensor
4.為電流換能型器件，透過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，尤其體積小，效率高，非常適合于光通訊器件如AWG、Transceiver等器件、紅外sensor，以及Bio-MEMS器件之精密溫度控制，如圖五(b)~(d)所示。
5.適合局部冷卻(spot cooling)，熱電器件可只對特定之發(fā)熱器件作冷卻，而不必冷卻整個封裝結(jié)構(gòu)，可節(jié)省耗電并增加效率。
6.其熱慣性非常小，致冷致熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載情況下，通電不到一分鐘，就能達到最大溫差。
7.具發(fā)電能力(溫差發(fā)電)，若在熱電器件兩面建立溫差，則可產(chǎn)生直流電，適用于中低溫區(qū)發(fā)電，如Seiko 公司的體溫發(fā)電腕表等。
8.單串熱電器件作的功率很小，但用同類型的熱電堆組合成熱電堆串，采并聯(lián)方式組合成一個大系統(tǒng)，功率就可以做的很大，由幾毫瓦到上萬瓦的范圍都有可能。9.其溫差范圍，由+90℃到-130℃之間均可達成。
10.冷卻速度快，其速度可透過調(diào)節(jié)工作電壓控制，且工作電流或電壓的精度要求不高。如額定12V 電壓，實際可使用到8~14V。
11.不受重力和方向影響，因熱電器件不需循環(huán)流體，故不受重力和方向的影響，適合應(yīng)用在航天工業(yè)上。NASA應(yīng)用此技術(shù)提供幾百瓦的電力于太空探測裝置上。
雖然熱電器件具有上述的許多優(yōu)點，但是由于熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換的效率有限，因此應(yīng)用于實際的設(shè)計會有限制。熱電器件的效率到底是多少?以冷凍效率來看，一般比較的最高標準是卡諾效率(Carnot cycle)，目前的熱電器件大概只有卡諾效率的10%，而一般的冷凍循環(huán)則可達30%，因此若要達到商業(yè)的應(yīng)用則ZT值至少需再提升至4。因此目前熱電器件的應(yīng)用多半偏向電子及光電器件的冷卻及控溫用途，強調(diào)其優(yōu)異的應(yīng)用特性而非使用效率。然而由于材料及設(shè)計技術(shù)的突破，未來熱電器件的發(fā)展很有希望達到此目標，因此前瞻應(yīng)用之熱電器件的研發(fā)將更為重要。
熱電致冷器未來的發(fā)展
熱電器件技術(shù)由于電子及光電器件的熱管理需求而朝向小型、高效率以及精確溫控發(fā)展，因而微型熱電器件的研發(fā)越來越重要。也由于微機電技術(shù)的進步，而使得熱電器件的設(shè)計及制程可朝更微型化的方向發(fā)展。熱電器件尺寸縮小后的性能影響可由(圖六)中看出，此時單位面積的冷卻能力可以大大地提升，它同時提供了更小的與熱源接觸的面積、更短的響應(yīng)時間、以及材料本身具備更好的特性；而另外當(dāng)需要有微小功率輸出的情況下，亦可利用熱電材料因溫度差而產(chǎn)生電動勢的特性，將此微熱電器件作為產(chǎn)功裝置。
(圖六) 熱電致冷器之尺寸大小對吸熱量之影響
在熱電器件發(fā)展中，如何將材料特性提升是很重要的問題。由前面的介紹中可知傳統(tǒng)熱電材料的特性ZT 值等于1 左右的限制一直無法突破，而使得器件的應(yīng)用受到限制。目前材料研發(fā)的發(fā)展可分為模塊化成分的薄膜以及非均勻塊材，圖七為兩種代表性的材料，一種是與納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的superlattice材料的開發(fā)，此種材料以MBE（molecular beam epitaxy）方式制造，另一種則稱為Clathrate，則是利用自然的方式使20或24個立方體原子自組成一團多分子的塊材材料。在塊材的開發(fā)上，目前的方向是制造高摻雜低能帶間隙的半導(dǎo)體，如重金屬的化合物或是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的原子組成以降低聲子(phenon)的振動而使材料的熱傳導(dǎo)性降低。相關(guān)的研究包括Symyx Technologies、Pennsylvania State University 等。而在模塊化成分的薄膜技術(shù)發(fā)展方面，則是利用納米技術(shù)制造多層量子井(multi-quantum well)結(jié)構(gòu)的薄膜，使聲子運動受限而降低熱傳導(dǎo)性。薄膜設(shè)計的方式有兩種，一種是將熱及電流延著層的方向流動，另一種則是兩者的流動方向垂直薄膜層，如Research Triangle Institute以及MIT等研究單位正在進行研發(fā)中。以兩種技術(shù)比較來看，薄膜的技術(shù)由于利用納米技術(shù)去做結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對于材料性質(zhì)可做較大幅度的改變，因此發(fā)展性可能較高。
(圖七) 薄膜熱電材料內(nèi)部構(gòu)造與其晶格
在實際的設(shè)計應(yīng)用方面，利用微機電技術(shù)設(shè)計的In-plan 形式的微熱電裝置，圖八為清大饒達仁教授的設(shè)計，此種設(shè)計采平面的熱電傳熱設(shè)計，可將節(jié)省器件空間。圖九為Infineon科技公司研制的微形熱電致冷器，利用sputter的方式將熱電材料制造于wafer上，再將兩片wafer上的熱電材料bonding起來，此種裝置可直接嵌入發(fā)熱器件中。圖十為另一種特殊的應(yīng)用，則是和記憶合金結(jié)合做為制動裝置，可利用記憶合金的形狀回復(fù)作用，和微熱電器件的溫度控作用結(jié)合，使微器件作精確的動作控制。
(圖八) In-plan type 的微熱電器件
(圖九) Infineon科技公司研制的微熱電致冷器
(圖十) 結(jié)合記憶合金的微熱電器件設(shè)計
結(jié)論
隨著電子及光電器件產(chǎn)品封裝縮小化及高發(fā)熱密度的趨勢，高效率的冷卻及精確控溫技術(shù)越來越重要，而微熱電器件具有體積小、固體形狀、效率高等優(yōu)點正好符合此一趨勢。熱電原理雖然早自十九世紀就發(fā)現(xiàn)，但是實際的應(yīng)用則是近代的事，也由于微電子及微機電技術(shù)的進步，使得熱電器件的設(shè)計及制程技術(shù)而有了新的發(fā)展及應(yīng)用，而微小化的熱電器件更適合應(yīng)用于微電子及光通訊器件技術(shù)，而使其產(chǎn)生更優(yōu)異的性能。
微熱電器件應(yīng)用時必須先了解其作用原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方式，才能作最好的設(shè)計。新的技術(shù)發(fā)展方向主要在新的材料技術(shù)的開發(fā)以及微電子技術(shù)的集成設(shè)計，而應(yīng)用納米技術(shù)開發(fā)高熱電特性的材料將是未來最具潛力的材料技術(shù)方向，這也將使得熱電技術(shù)有更多的應(yīng)用，或許在不久的未來，熱電技術(shù)將會出現(xiàn)在各個應(yīng)用領(lǐng)域的冷卻、控溫及發(fā)電等技術(shù)上，就如同晶體管取代真空管一般，對人類的生活產(chǎn)生更大的影響。
針對上面所提到的有關(guān)TEC(微熱電致冷器)之特性的部分，在本文中我們將詳細介紹熱電器件的結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用以及未來的發(fā)展方向。但在工程設(shè)計中，我們往往需要我們從整機系統(tǒng)的角度出發(fā)，由系統(tǒng)的工況與散熱熱端、冷端的散熱情況，根據(jù)TEC的具體要求，詳細的選型計算與仿真計算過程去做系統(tǒng)的設(shè)計。
為此我們開發(fā)了本程課，ANSYS ICEPAK TEC 半導(dǎo)體制冷片散熱設(shè)計仿真視頻教程課程，本視頻教程從TEC半導(dǎo)體制冷片簡介開始，到通過相關(guān)參數(shù)進行TEC選型計算與說明，再到在ICEPAK內(nèi)完成相關(guān)模型的物性設(shè)置，軟件仿真邊界的設(shè)計置等等......，一步步的充分講解了在ANSYS ICEPAK中對一款TEC半導(dǎo)體制冷片散熱器的產(chǎn)品從0開始，再到如何將進行選型計算等。從ICEPAK中建模開始，再到在軟件中對模型的物性設(shè)置，到如何進行網(wǎng)格劃分及求解等全套操作流程。
本教程旨在通過本款TEC半導(dǎo)體制冷片散熱器的設(shè)計案例的操作，讓您能達到依據(jù)前期的溫升與器件損耗等相關(guān)性能參數(shù)，進行理論計算與制冷片的選取，同時完成整機散熱系統(tǒng)的匹配計算，同時能夠熟練的運用ICEPAK，以用ICEPAK來完成對此類產(chǎn)品的熱設(shè)計與ANSYS ICEPAK散熱仿真。
課程目錄：
1.TEC（半導(dǎo)體制冷片）的簡介
2.熱整機設(shè)計的工況與熱損耗說明
3.TEC模塊的選型說明
4.TEC G因子因子說明
5.ANSYS ICEPAK 模型建模說明
6.ICEPAK 中各部分參數(shù)設(shè)置說明
7.ICEPAK 的邊界設(shè)置說明
8.網(wǎng)格的設(shè)置與劃分
9.利用ANSYS ICEPAK進行仿真及后處理
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