适用于冷却应用的佩尔帖模块

通过应用佩尔帖效应获得更好的冷却能力

珀尔帖模块，也称为热电冷却器（TEC）或热电模块（TEM），是一种固态设备，没有任何移动部件，在通电时能够传输热量，并且可以在宽范围的温度条件下运行。其理论基础是珀尔帖效应，该效应由法国物理学家让·珀尔帖（Jean Peltier）于1834年发现。   珀尔帖模块的结构由正、负掺杂的半导体材料颗粒组成，这些颗粒被放置在两个电隔离但热导的陶瓷板之间。每块陶瓷板的内表面镀有金属材料的导电图案，半导体颗粒则焊在这些导电图案上。这种模块配置使得所有的半导体颗粒可以在电气上串联连接，同时在机械上并联。通过串联的电气连接来实现所需的热效应，而并联的机械连接则使其中一陶瓷板（冷端）吸收热量，另一陶瓷板（热端）释放热量。

典型佩尔帖模块常见的故障原因

佩尔帖模块最常见的故障是半导体颗粒或相关焊点的机械断裂，这种断裂初期并未完全贯穿颗粒或焊点，可以通过设备串联电阻的升高来检测到。佩尔帖模块电阻的增加可能会导致整体“效率”下降，但若断裂完全扩展到半导体颗粒或焊点，则可能导致设备完全失效。   在佩尔帖模块的典型应用中，需冷却的物体会放置在模块的冷端板上，而散热器则放置在热端板上。如果散热器和需冷却的物体紧贴于陶瓷板，而没有其他机械结构来支撑冷却物体和散热器，则可能导致机械故障。仅使用佩尔帖设备支撑物体或散热器可能会对模块施加较大的剪切或拉力负载。佩尔帖模块无法承受散热器与冷端板之间的巨大拉力或剪切力，在遭受过量力时可能发生断裂。   在多数应用中，散热器与需冷却物体通过夹具一同固定，将佩尔帖模块置于中间。这种机械配置得益于佩尔帖模块能够承受夹具施加的较大的压缩力，并且可以吸收物体与散热器之间的剪切或拉力应力。   尽管佩尔帖模块能够承受较大的压缩负载，散热器与需冷却的物体仍必须均匀地固定在佩尔帖模块上，否则陶瓷板之间的扭力和压缩力可能会导致机械故障。用于在佩尔帖模块上生成压缩固定力的机械约束必须谨慎且均匀地施加，以降低施加于模块的扭矩应力，从而减少损坏的可能性。   此外，用于构建佩尔帖模块的陶瓷板与半导体颗粒具有相关的热膨胀系数（CTE）。陶瓷与半导体的CTE不匹配可能会引起机械应力。在模块加热或冷却的情况下，这种机械应力可能会导致半导体颗粒和焊点出现断裂。除了佩尔帖模块的绝对温度变化外，设备上的温度梯度以及温度迅速变化速度也会因CTE导致机械应力。运行于极端温度、较大温度梯度及高温变化速率的环境中会增加机械应力，进而导致设备故障。   佩尔帖模块中的半导体颗粒、焊点及金属化的导电路径可能因外部污染而失效。减少污染暴露的常见解决方案是将密封胶条涂抹于模块两块陶瓷板之间。硅橡胶材料因其机械柔性常被用作密封剂，但在严苛操作环境下可能无法有效充当气体屏障。在高蒸气浓度条件下可以使用环氧树脂作为周边密封剂，但环氧树脂通常没有硅橡胶的机械柔韧性。

采用 arcTEC™ 结构的佩尔帖模块性能更佳

如上所述，Peltier 模块的焊点和半导体颗粒在机械应力下可能产生裂缝。Same Sky 开发了带有 arcTEC™ 结构的 Peltier 模块。其独特的结构使其能够抵抗热疲劳，从而提升模块的性能、可靠性和使用寿命。   首先，Same Sky 的 arcTEC™ 结构 Peltier 模块将模块冷端的焊点替换为导电树脂。这种树脂在机械性能上比焊料更具柔性，能够在 Peltier 模块反复热循环过程中允许热膨胀与收缩，同时有助于减少传统 Peltier 模块结构的应力和断裂，从而实现更好的热连接、更优的机械结合及性能的长期稳定性。   arcTEC 结构中的其余焊点采用高温锑锡焊料（SbSn，235°C）代替了更常见的低温铋锡焊料（BiSn，138°C）。锑锡焊料比铋锡焊料更能抵抗机械应力，其出色的热疲劳性能和更高的剪切强度有助于提高 Peltier 模块的可靠性。此外，Same Sky 的 Peltier 模块还配备了硅橡胶防潮层，以实现机械兼容性；也可根据需求提供其他防潮层，如环氧树脂。   在 arcTEC 结构中，导热树脂和 SbSn 焊点的联合作用下，Peltier 模块的可靠性和使用寿命得到了显著改善。Peltier 模块的寿命与接点的质量直接相关，而模块失效主要由于模块内部接点的热疲劳导致阻抗增加所致。反复热循环过程中出现的内部应力使这一效应更加复杂。在超过 30,000 次热循环后，具有 arcTEC 结构的 Peltier 模块的电阻变化可以忽略不计，体现了其优异的性能。   除了卓越的可靠性和模块寿命外，带有 arcTEC 结构的 Peltier 模块还提供了更高效的热性能。在 Peltier 模块中，集成的 P/N 元件由优质硅锭制成，其尺寸是市场上其他热电模块中的元件的 2.7 倍。由于较大的元件能产生更快且更均匀的制冷效果，这对热性能产生了显著影响。对采用 arcTEC 结构构造的单元进行红外检测显示其陶瓷基板表面具有均匀的温度分布。   相比之下，传统单元显示出多处温度变化，这表明存在制冷性能下降及使用寿命缩短的更高风险。这些温度变化可能由模块内 P/N 元件质量较差、元件尺寸较小或焊料质量不佳引起。采用具有更大 P/N 元件的模块可以在性能不下降的情况下实现更快的制冷。现场测试表明，与竞争模块相比，具有 arcTEC 结构的模块制冷时间改进了 50%以上。这一显著差异可归因于 P/N 元件的尺寸和质量以及 arcTEC 结构的更高可靠性。传统模块中热循环次数的增加及电阻变化将进一步扩大这一差距。

多样化的佩尔帖模块系列，以满足不同的应用需求

同一片天空高性能珀耳帖模块系列中包含单级珀耳帖模块，其具有紧凑、轻便的形状，并且为无运动部件的固态设计。精准的温度控制和响应能力使其成为高度可靠的制冷解决方案。额外的多级珀耳帖模块通过堆叠两个模块来增加热泵容量，从而实现高达105°C的更高温度增量，同时保持了单级热电制冷器的固态优势。此外，珀耳帖制冷单元更好的防水性能和能够吸收热应力的防漏结构，提升了散热能力，改善了性能，并且无需拧紧螺丝即可轻松完成安装。   同一片天空提供的高性能珀耳帖模块系列，尺寸范围从3.4毫米至70毫米，厚度最低可达1.95毫米，ΔTmax最高可达95°C（Th=50°C），额定电流范围从0.7A到20A，温度增量范围为70°C至105°C。这些珀耳帖模块的可靠固态构造、精准的温度控制和安静的操作特性，使其成为医疗和工业应用中以及强制空气冷却不可行的设计方案中的理想选择。

结论

Same Sky 的珀尔帖模块专注于缓解热疲劳的影响并优化 P/N 元件，其性能远胜于采用传统结构的热电制冷器。鉴于这些改进已在 arcTEC 结构中集成，这些改进共同提供了满足最苛刻应用所需的性能和可靠性，因此这些珀尔帖模块成为高密度、高功率医疗和工业应用的理想选择。