半導體制冷技術培訓資料

1、半導體制冷簡介一、半導體致冷原理半導體致冷又稱為溫差電致冷或熱電致冷。具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過直流電時有致冷功能，因此而得名熱電致冷。總的熱電效應由同時發(fā)生的五種不同的效應組成，它們是：賽貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應和富里葉效應。1.賽貝克效應在兩種不同導體構(gòu)成的回路中，如果兩個接頭出的溫度不同，回路中有電動勢存在，這種電動勢就稱為賽貝克電動勢或溫差電動勢（圖一）。 圖一 賽貝克效應示意圖圖中U是溫差電動勢，它的大小與兩結(jié)點間的溫差成正比，比例常數(shù)為賽貝克系數(shù)（也稱為溫差電動勢率），其值為 ab = U/T式中T為兩結(jié)點間的溫差每種材料都有固定的賽貝克系數(shù)，若用a和b表

2、示這兩種材料的賽貝克系數(shù)，那么由這兩種材料所制成的熱電偶的賽貝克系數(shù)為： ab =|ab|2.珀爾帖效應：當直流電流通過由不同導體連接形成的回路時，在結(jié)點會產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為珀爾帖效應。因為半導體的珀爾帖效應比金屬更為強烈，所以用半導體制作的組件可以達到較好的致冷效果（圖二）。圖二 半導體致冷示意圖N型元件的載流子是電子，P型元件的載流子是空穴。當溫差電偶的N型元件接入直流電正極，P型元件接入負極時，N型元件中的電子在電場作用下向下移動，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時放熱， 同樣P型元件中的空穴在電場作用下向下移動，在下端與電源的負電荷聚合，聚合時放熱；同時，電子與空穴在上

3、端分離，分離時吸收熱量。當改變電流的方向時，吸熱端會變?yōu)榉艧岫?，放熱端會變?yōu)槲鼰岫恕?.湯姆遜效應：當電流通過有溫度梯度的導體時，則在導體和周圍環(huán)境之間進行能量交換（圖三）。這種效應只涉及一種材料。 圖三 湯姆遜效應示意圖4.焦耳效應：單位時間內(nèi)電流通過導體的產(chǎn)生的熱量等于導體的電阻和電流的平方的乘積。Q=R*I25.富里葉效應： 單位時間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。 Q=S*T二、半導體致冷組件的結(jié)構(gòu)和性能1.半導體致冷組件的結(jié)構(gòu)我們知道半導體按導電類型分N型材料和P型材料，將N型元件和P型元件大規(guī)模串聯(lián)成回路，使每個元件相連接的都是不

4、同導電類型的元件，這樣就形成了半導體致冷組件（圖四）。 圖四 半導體致冷組件示意圖從上圖可以看出，致冷組件的上下面是陶瓷片，它的主要成分是95氧化鋁。它起電絕緣、導熱和支撐作用。在它的表面燒結(jié)有金屬化圖形。與陶瓷片連接的是導流片，它的成分是無氧銅。它起導電和導熱作用。通過錫焊接在陶瓷片的金屬化圖形上。上下導流片之間是半導體致冷元件，它的主要成分是碲化鉍。它是致冷組件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通過錫焊接在導流片上。2.致冷材料的電參數(shù)致冷材料的主要電參數(shù)是：（溫差電動勢率）；一般在200v/左右（電導率）；一般在1000cm1左右K（熱導率）；一般在17w/mk左右其綜合參數(shù)優(yōu)值系數(shù)Z

5、2/K影響致冷材料優(yōu)值的是：1. 材料的純度；2. 材料配比的合理性；3. 工藝的有效控制。3.半導體致冷組件最高使用電壓和最大溫差電流常溫下每對半導體致冷元件最高所允許施加的是0.12V。每種致冷組件最高所允許施加的電壓是：元件對數(shù)0.12每片致冷組件的最大溫差電流可以粗略的計算為：元件對數(shù)0.120.77/R有人也許要問為什么我們所用的電壓和電流要比計算的低呢？這要從半導體致冷的特性曲線（圖五）看，以TEC1-12705為例TEC1-12705Qc vs IQc Watts Th=5060504030201000 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.

6、0 A 圖五 半導體致冷特性曲線圖中縱坐標是產(chǎn)冷功率，橫坐標是工作電流，Th是熱面溫度。從圖中看出：半導體致冷組件的工作電流和產(chǎn)冷功率的關系呈拋物線形狀。電流達到最大溫差電流時和略低的電流時（比如電流從5A降到4A）的產(chǎn)冷功率相差不大，但是輸入的電功率相差卻很大。 三半導體致冷組件的工藝過程1.主要工藝流程稱量 熔煉 拉晶 切片 測量 噴涂電鍍 切粒 分選 鍍片 上導流片 點錫 擺模 合模 研磨 焊線 檢測其中：拉晶和合模是關鍵工序、噴涂電鍍是特殊工序2.主要工藝簡介（1）稱量：投入材料碲、鉍、銻、硒等半導體材料，按照工藝配比將以上材料裝入玻璃管中。（2）熔煉：原材料裝入玻璃管中抽真空后在60

7、0的搖擺爐中熔煉，半導體材料在搖擺爐中熔化反應，同時爐體擺動，使材料混合反應充分，材料取出自然冷卻后形成一碲化鉍為主的多晶體。（3）拉晶：熔煉后的晶體的排序是雜亂無章的，使用局部熔化的工藝使晶體按照豎直的方向排列，晶體的優(yōu)值達到最佳狀態(tài)。拉晶是關鍵工序，影響晶體參數(shù)的主要因素是溫度和速度：在速度的控制上采用變頻調(diào)速，其速度非常穩(wěn)定；對爐溫的控制采用PID智能控溫表控制，在800的高溫仍能控制在2.（4）測量：經(jīng)過拉晶后的晶體（晶棒）由于工藝特點，晶棒的兩端參數(shù)較低，須經(jīng)測量切去參數(shù)不符合要求的部分。參數(shù)要求為：溫差電動勢率在190230范圍內(nèi)； 電導率在9001150范圍內(nèi)。（5）噴涂電鍍：半

8、導體元件需要焊接成串聯(lián)電路才能產(chǎn)生大的冷量，而半導體材料是不容易焊錫的。在致冷材料表面噴涂鎳再電鍍鎳錫，噴涂的鎳層與半導體致冷材料結(jié)合力很強，電鍍的鎳錫層與噴涂的結(jié)合力也很強，電鍍的鎳錫層有極易焊錫，這樣保證了焊接的可靠性；噴涂電鍍是特殊工序，噴涂的首片厚度和拉力的測量。（6）切粒：把電鍍后的晶片切割成設計的長方體，允許偏差0.03mm。（7）分選：將不符合規(guī)定要求的元件挑出。（8）鍍片：在電子陶瓷的金屬化圖形上熱浸鍍錫。（9）上導流片：將導流片焊接在陶瓷板的金屬化圖形上。（10）點錫：在導流片上均勻圖上錫。（11）擺模：將元件裝入模具中，使每個N型元件四周是P型元件，同時每個P型元件都是N型

9、元件（12）合模：合模是致冷組件生產(chǎn)的關鍵工序，其目的是使致冷元件焊接成串聯(lián)電路。工藝過程：將點好錫的瓷板蓋在裝有致冷元件的模具上，瓷板上導流片與元件對齊，放在專用的直升焊機中，待直升焊機的加熱板升溫至300 320 ，轉(zhuǎn)動直升焊機的手輪，使元件、瓷板上升與加熱板貼緊，這時瓷板上的焊料開始熔化，元件焊接在瓷板上，用降溫錘給加熱板降溫，冷卻后，取下元件和瓷板。工藝控制的關鍵點：溫度控制：采用智能溫控表PID控制，使溫度控制在設定值的 5 內(nèi)。工藝的質(zhì)量標準:阻值的離散率 5以內(nèi)。（13）研磨：致冷元件與陶瓷板焊接在一起后形成半導體致冷組件，組件經(jīng)過研磨使其平整度達到要求。（14）焊線：在組件的兩

10、端焊接引線。（15）檢測：使用電腦測試儀測量組件的溫差，使用LCR電橋測量組件的阻值。 溫差在67以上，阻值在規(guī)定值的 5以內(nèi)。四、產(chǎn)品質(zhì)量的保證和控制1、供應商的選擇： 先確定供應商的范圍，統(tǒng)計能夠提供所需產(chǎn)品的廠家，從其中挑選信譽好的、質(zhì)量穩(wěn)定的廠家作為候選供應商，要求供應商提供樣品進行檢測、試驗，經(jīng)檢驗、試驗合格的，提供小批量試投入生產(chǎn)（能夠生產(chǎn)5000至10000片致冷組件的材料），小批量生產(chǎn)合格后，進行批量生產(chǎn)（10萬片至20萬片），經(jīng)批量生產(chǎn)無質(zhì)量問題，該公司可列入合格供應商名單（關鍵的材料須進行現(xiàn)場質(zhì)量體系審核）。2、供應商的復評： 每年對供應商進行復評，復評內(nèi)容為一年內(nèi)供應商提

11、供產(chǎn)品的質(zhì)量情況、年產(chǎn)量、供貨是否及時，供應商的質(zhì)量保證體系情況，必要時進行現(xiàn)場審核。3、材料的采購： 材料須從合格供應商名單的公司采購，75%的材料從年產(chǎn)量大，質(zhì)量好、穩(wěn)定，供貨及時，價格合理的供應商采購，其余25%的材料從質(zhì)量穩(wěn)定，供貨及時的供應商采購。4、進貨產(chǎn)品的檢驗： 檢驗部根據(jù)不同的進貨產(chǎn)品依據(jù)公司的檢驗文件進行檢驗和試驗，檢驗合格后檢驗員在檢驗報告上填寫檢驗數(shù)據(jù)并注明合格，庫管員檢定檢驗報告的合格標記辦理入庫手續(xù)。如果檢驗不合格，檢驗員在檢驗報告上填寫檢驗數(shù)據(jù)并注明不合格，庫管員將相應的采購品隔離，并用醒目的紅色注明不合格。不合格品進行退貨或換貨處理。五、 影響成本的因素影響成本的因素主要有以下四個方面：1. 材料的純度：半導體致冷組件使用的半導體材料都應是99.99以上，不同純度的材料價格相差很多，材料純度不足會影響致冷組件的溫差、產(chǎn)冷量等電參數(shù)；2. 工藝的選用：我公司采用噴涂技術，此技術提高組件的可靠性，但是每片組件增加0.60.7元人民幣的成本；3. 晶棒的出材率：前文說到由于工藝本身的特點晶棒的兩端參數(shù)偏低，按照我公司的參數(shù)指標溫差電動勢率在190230范圍內(nèi)；電導率