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陶瓷基板在半导体制冷器中的应用
半导体制冷技术的研究起源于上世纪50年代,是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术,作为半导体制冷技术的核心部件,半导体热电制冷器件能让高集成度电子元器件的工作温度迅速下降,因而应用十分广泛。陶瓷基板在半导体制冷器件中起到了关键的作用,下面我们就从什么是半导体制冷器开始说起,为大家介绍陶瓷基板在其中的应用。




一、什么是半导体制冷器



半导体热电制冷器件(英文:Thermoelectric Cooling Modules, TEC),又称热电制冷器件、半导体热电制冷组件、制冷片、半导体热电制冷芯片,是一种利用半导体材料的佩尔捷效应(Peltier effect)实现制冷或加热的电子器件。根据应用需求不同,有单层和多层结构设计。

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图   半导体致冷器结构示意图,点击放大查看

如图所示,半导体制冷器主要由半导体晶粒(一般由p型和n型两种碲化铋Bi2Te3材料组成)、导热绝缘材质基板如DBC覆铜陶瓷基板、导线、焊料等组成。

由于国内起步较晚,产品多集中于消费电子领域,技术和管理水平与世界先进水平存在一定差距,因此在高端应用领域如通信、医疗、汽车等市场主要被Ferrotec、KELK Ltd. 、II-VI、Phononic、lairdthermal等国际厂商占据。国内企业有富连京、富信科技、纳米克、万谷电子等。


1.半导体制冷器的工作原理



半导体制冷器利用半导体材料的佩尔捷效应,当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端随着电流方向的不同会分别吸收热量和放出热量,可以实现制冷的目的,为主动制冷,可将对象冷却至环境温度以下。

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图  半导体制冷器的工作原理

改变电流方向就可以使热量向相反方向转移,因此在一个制冷器上可同时实现制冷和加热两种功能。


2.半导体制冷器的优缺点



1)半导体制冷器的优点


  • 静音性:在运行时不会产生噪音;

  • 振动特性:无机械转动部件, 运行无振动,自身稳定、对周围环境无影响;

  • 便携性:体积小、重量轻,便于携带、移动;

  • 环境适应性:无振动磨损、工作温度区间大、结构紧凑、布局灵活;

  • 环保性:不使用制冷剂,无污染;

  • 性价比:输出小冷量(一般指 10 瓦级)时, 性价比高。



2)半导体制冷器的缺点

由于热电材料性能的限制,仍存在热电转化效率较低的问题,在部分大功率或大冷量使用场景下,能效水平和经济性不高,制约了应用拓展。

近年来,随着电子器件的快速发展,高性能微型热电制冷器件成为半导体热电制冷技术的重要发展方向,要求更高的可靠性、更小的尺寸。目前国内外对半导体制冷技术的研究主要集中在 热电材料、结构设计和冷热端传热方式上。


3.半导体制冷器的应用市场



半导体制冷技术因具有环境友好、无噪声、运行平稳、耗材少、使用寿命长等特点受到广泛关注,在集成电路、通讯、汽车、医疗以及家电日用等方面具有极大的发展潜力。随着技术的进一步发展,以及人们对环境的日益重视,半导体制冷器的市场需求会越来越高,前景广阔。


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图  半导体制冷器的应用

据MarketsandMarkets研究数据,半导体热电器件市场规模预计将从2021年的5.93亿美元增长至2026年的8.72亿美元,复合增长率为8.0%,这也将给陶瓷基板带来机遇。

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二、陶瓷基板在半导体制冷器中的作用



在半导体制冷器中,半导体晶粒紧凑地排列和固定在绝缘的两块金属化陶瓷基板之间。其中,陶瓷基板起到以下作用:


1)电性隔离,使模块内的电气元件与模块热侧的散热器和冷侧被冷却的物体绝缘;

2)导热系数高,提供冷热端面的传导;

3)膨胀系数低,强度高,可固定强化模块结构,提供平整、平行的安装表面。



因此,陶瓷基板必须绝缘且导热性良好

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图源:万谷电子

半导体制冷器可用的陶瓷材料有Al2O3(氧化铝)、BeO(氧化铍)、AlN(氮化铝)等。其中,氧化铍和氮化铝的热传导率较高,但氧化铍具有毒性,所以很少使用,而氮化铝的成本相较氧化铝高,可用于要求较高的产品。因此,氧化铝在半导体制冷器中应用最广泛



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