半导体制冷技术培训资料

/半导体制冷简介一、半导体致冷原理半导体致冷又称为温差电致冷或热电致冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有致冷功能，因此而得名热电致冷。总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。1.赛贝克效应在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势（图一）。图一赛贝克效应示意图图中△U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率），其值为αab=△U/△T式中△T为两结点间的温差每种材料都有固定的赛贝克系数，若用αa和αb表示这两种材料的赛贝克系数，则由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为：αab=|αa－αb|2.珀尔帖效应：当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的致冷效果（图二）。图二半导体致冷示意图N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热，同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。3.汤姆逊效应：当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换（图三）。这种效应只涉及一种材料。图三汤姆逊效应示意图4.焦耳效应：单位时间内电流通过导体的产生的热量等于导体的电阻和电流的平方的乘积。Q=R*I25.富里叶效应：单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。Q=S*△T二、半导体致冷组件的结构和性能1.半导体致冷组件的结构我们知道半导体按导电类型分N型材料和P型材料，将N型元件和P型元件大规模串联成回路，使每个元件相连接的都是不同导电类型的元件，这样就形成了半导体致冷组件（图四）。图四半导体致冷组件示意图从上图可以看出，致冷组件的上下面是陶瓷片，它的主要成分是95％氧化铝。它起电绝缘、导热和支撑作用。在它的表面烧结有金属化图形。与陶瓷片连接的是导流片，它的成分是无氧铜。它起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。上下导流片之间是半导体致冷元件，它的主要成分是碲化鉍。它是致冷组件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流片上。2.致冷材料的电参数致冷材料的主要电参数是：α（温差电动势率）；一般在200µv/℃左右σ（电导率）；一般在1000μΩ•cm－1左右K（热导率）；一般在17w/m·k左右其综合参数优值系数Z＝α2×σ/K影响致冷材料优值的是：材料的纯度；材料配比的合理性；工艺的有效控制。3.半导体致冷组件最高使用电压和最大温差电流常温下每对半导体致冷元件最高所允许施加的是0.12V。每种致冷组件最高所允许施加的电压是：元件对数×0.12每片致冷组件的最大温差电流可以粗略的计算为：元件对数×0.12×0.77/R有人也许要问为什么我们所用的电压和电流要比计算的低呢？这要从半导体致冷的特性曲线（图五）看，以TEC1-12705为例TEC1-12705QcvsIQcWattsTh=506050403020100605040302010000.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0图五半导体致冷特性曲线图中纵坐标是产冷功率，横坐标是工作电流，Th是热面温度。从图中看出：半导体致冷组件的工作电流和产冷功率的关系呈抛物线形状。电流达到最大温差电流时和略低的电流时（比如电流从5A降到4A）的产冷功率相差不大，但是输入的电功率相差却很大。三．半导体致冷组件的工艺过程1.主要工艺流程称量熔炼拉晶切片测量喷涂电镀切粒分选镀片上导流片点锡摆模合模研磨焊线检测其中：拉晶和合模是关键工序、喷涂电镀是特殊工序2.主要工艺简介（1）称量：投入材料碲、铋、锑、硒等半导体材料，按照工艺配比将以上材料装入玻璃管中。（2）熔炼：原材料装入玻璃管中抽真空后在600℃（3）拉晶：熔炼后的晶体的排序是杂乱无章的，使用局部熔化的工艺使晶体按照竖直的方向排列，晶体的优值达到最佳状态。拉晶是关键工序，影响晶体参数的主要因素是温度和速度：在速度的控制上采用变频调速，其速度非常稳定；对炉温的控制采用PID智能控温表控制，在800℃的高温仍能控制在±2℃.（4）测量：经过拉晶后的晶体（晶棒）由于工艺特点，晶棒的两端参数较低，须经测量切去参数不符合要求的部分。参数要求为：温差电动势率在190～230范围内；电导率在900～1150范围内。（5）喷涂电镀：半导体元件需要焊接成串联电路才能产生大的冷量，而半导体材料是不容易焊锡的。在致冷材料表面喷涂镍再电镀镍锡，喷涂的镍层与半导体致冷材料结合力很强，电镀的镍锡层与喷涂的结合力也很强，电镀的镍锡层有极易焊锡，这样保证了焊接的可靠性；喷涂电镀是特殊工序，喷涂的首片厚度和拉力的测量。（6）切粒：把电镀后的晶片切割成设计的长方体，允许偏差±0.03mm。（7）分选：将不符合规定要求的元件挑出。（8）镀片：在电子陶瓷的金属化图形上热浸镀锡。（9）上导流片：将导流片焊接在陶瓷板的金属化图形上。（10）点锡：在导流片上均匀图上锡。（11）摆模：将元件装入模具中，使每个N型元件四周是P型元件，同时每个P型元件都是N型元件（12）合模：合模是致冷组件生产的关键工序，其目的是使致冷元件焊接成串联电路。工艺过程：将点好锡的瓷板盖在装有致冷元件的模具上，瓷板上导流片与元件对齐，放在专用的直升焊机中，待直升焊机的加热板升温至300~320℃工艺控制的关键点：温度控制：采用智能温控表PID控制，使温度控制在设定值的±5℃工艺的质量标准:阻值的离散率±5％以内。（13）研磨：致冷元件与陶瓷板焊接在一起后形成半导体致冷组件，组件经过研磨使其平整度达到要求。（14）焊线：在组件的两端焊接引线。（15）检测：使用电脑测试仪测量组件的温差，使用LCR电桥测量组件的阻值。温差在67℃以上，阻值在规定值的±5％以内四、产品质量的保证和控制1、供应商的选择：先确定供应商的范围，统计能够提供所需产品的厂家，从其中挑选信誉好的、质量稳定的厂家作为候选供应商，要求供应商提供样品进行检测、试验，经检验、试验合格的，提供小批量试投入生产（能够生产5000至10000片致冷组件的材料），小批量生产合格后，进行批量生产（10万片至20万片），经批量生产无质量问题，该公司可列入《合格供应商名单》（关键的材料须进行现场质量体系审核）。2、供应商的复评：每年对供应商进行复评，复评内容为一年内供应商提供产品的质量情况、年产量、供货是否及时，供应商的质量保证体系情况，必要时进行现场审核。3、材料的采购：材料须从《合格供应商名单》的公司采购，75%的材料从年产量大，质量好、稳定，供货及时，价格合理的供应商采购，其余25%的材料从质量稳定，供货及时的供应商采购。4、进货产品的检验：检验部根据不同的进货产品依据公司的检验文件进行检验和试验，检验合格后检验员在《检验报告》上填写检验数据并注明合格，库管员检定《检验报告》的合格标记办理入库手续。如果检验不合格，检验员在《检验报告》上填写检验数据并注明不合格，库管员将相应的采购品隔离，并用醒目的红色注明不合格。不合格品进行退货或换货处理。影响成本的因素影响成本的因素主要有以下四个方面：材料的纯度：半导体致冷组件使用的半导体材料都应是99.99％以上，不同纯度的材料价格相差很多，材料纯度不足会影响致冷组件的温差、产冷量等电参数；工艺的选用：我公司采用喷涂技术，此技术提高组件的可靠性，但是每片组件增加0.6～0.7元人民币的成本；晶棒的出材率：前文说到由于工艺本身的特点晶棒的两端参数偏低，按照我公司的参数指标温差电动势率在190～230范